PENCIRIAN MEMBRAN KOMPOSIT
SELULOSA ASETAT BERBAHAN DASAR LIMBAH TAHU
MENGGUNAKAN POLISTIRENA
JAKA RACHMADETIN
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
ABSTRAK
JAKA RACHMADETIN. Pencirian Membran Komposit Selulosa Asetat Berbahan Dasar Limbah Tahu Menggunakan Polistirena. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ACHMAD SJAHRIZA.
Limbah tahu yang tidak dimanfaatkan dapat dijadikan bahan dasar untuk membuat selulosa dan membran selulosa asetat (CA). Akan tetapi, membran tersebut memiliki sifat mekanik yang kurang baik. Pencampurannya dengan polistirena (PS) dapat meningkatkan kekuatannya. Nata de soya dibuat dari limbah tahu yang kemudian dikeringkan untuk menghasilkan serbuk selulosa. Serbuk selulosa direaksikan dengan pereaksi asetilasi, anhidrida asam asetat, dan pelarut-pelarut lainnya untuk memperoleh serpihan CA. Serpihan CA dicampur dengan PS untuk membentuk membran komposit dengan nisbah CA:PS 90:10, 85:15, dan 80:20. Membran ini diukur fluks air, indeks rejeksi, dan kekuatan tariknya. Serpihan CA yang dihasilkan mempunyai kadar air 4.3%, rendemen 109.76%, dan kadar asetil 43.26% (yang setara dengan derajat substitusi 2.8-3.0). Membran yang memiliki nilai fluks air tertinggi adalah membran 80:20 sebesar 164.23 l/m2, indeks rejeksi tetinggi diperoleh pada membran 90:10 sebesar 31.65%, dan nilai kekuatan tarik tertinggi dihasilkan pada membran 80:20 sebesar 24.11 kgf. Berdasarkan hasil tersebut, penambahan PS dapat meningkatkan nilai fluks air dan kekuatan tarik membran, tetapi menurunkan indeks rejeksinya.
ABSTRACT
JAKA RACHMADETIN. Characterization of Cellulose Acetate Composite Membrane From Soybean Curd Whey Using Polystyrene. Under the direction of SRI MULIJANI and ACHMAD SJAHRIZA.
Soybean curd whey, which is discarded as a waste, can be used as starting material for the preparation of cellulose and cellulose acetate (CA) membrane. However, due to its poor mechanical properties, blending with polystyrene (PS) will improve strength to the membrane. Nata de soya was made by soybean curd whey and then dried to produce cellulose flake. Cellulose flake was reacted with acetylation reagent, acetic anhydride, and other solvents to produce CA flake. CA flake was mixed with PS to form blend of CA-PS membrane with 90:10, 85:15, and 80:20 ratios. These membranes were characterized by water flux, rejection index, and tensile strength. CA that has been produced had a water content of 4.3%, yield of 109.76%, and an acetyl degree of 43.26% (equal with substitution degree of 2.8-3.0). The highest water flux membrane was made of 80:20 ratio (164.23 l/m2), the highest rejection index was made of 90:10 ratio (31.65%), and the highest tensile strength membrane was made of 80:20 ratio (24.11 kgf). Based on the results, PS addition can increase the water flux and tensile strength of membrane, but decrease the rejection index.
PENCIRIAN MEMBRAN KOMPOSIT
SELULOSA ASETAT BERBAHAN DASAR LIMBAH TAHU
MENGGUNAKAN POLISTIRENA
JAKA RACHMADETIN
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
PRAKATA
Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT karena atas berkat dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Karya ilmiah ini berjudul Pencirian Membran Komposit Selulosa Asetat Berbahan Dasar Limbah Tahu Menggunakan Polistirena, yang dilaksanakan pada bulan April 2006 sampai dengan Maret 2007 bertempat di laboratorium Kimia Anorganik dan Organik, Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu terselesaikannya karya ilmiah ini, di antaranya Dra. Sri Mulijani, M.S. dan Drs. Achmad Sjahriza selaku pembimbing yang telah banyak memberikan pengarahan kepada Penulis, kepada Drs. M. Farid dan Budi Arifin S.Si atas diskusi-diskusi berharga yang berkaitan dengan penelitian ini, kepada Mas Heri atas segala bantuannya, dan juga kepada Pak Syawal, Pak Sabur, Oom Em, Pak Didi, dan Mba Nur.
Ungkapan terima kasih juga Penulis haturkan kepada seluruh keluarga atas doa dan semangat yang diberikan kepada Penulis. Terima kasih juga diucapkan kepada Atiek atas dukungan dan dorongan semangatnya, untuk rekan-rekan: Endah, Fajar, Ari, Tri, Dogar, Fifie, Angga, Noni, Rio, dan Yanshen atas bantuan dan kebersamaan yang terjalin.
Akhir kata, semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat.
Bogor, Agustus 2007
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 28 Mei 1985 sebagai anak ketiga dari pasangan Madinah H Wahab dan Anna Rosalia. Tahun 2002 penulis lulus dari SMU Negeri 38 Jakarta, dan pada tahun yang sama masuk ke Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru. Tahun 2005 penulis mengikuti kegiatan praktik lapangan di laboratorium Proses dan Kontrol Lingkungan, PT Dystar Colours Indonesia, Cilegon, dengan judul Sintesis Zat Warna Remazol Red B.
Selama mengikuti kegiatan perkuliahan di IPB, penulis juga menjadi asisten praktikum Kimia Dasar I pada tahun 2004, Kimia TPB, dan Kimia Lingkungan pada tahun 2005.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL... viii
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR LAMPIRAN... ix PENDAHULUAN ... 1 TINJAUAN PUSTAKA Nata de Soya ... 1 Selulosa Asetat... 2 Membran Komposit ... 2 Pencirian Membran... 3
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ... 3
Pembuatan Nata de Soya ... 3
Penyiapan serbuk BC... 3
Pembuatan Selulosa Asetat... 4
Pembuatan Membran ... 4
Pencirian Membran... 4
HASIL DAN PEMBAHASAN Nata de soya ... 4
Selulosa Asetat... 6
Membran komposit ... 6
Fluks Air ... 6
Fluks dan Indeks Rejeksi Dekstran... 8
Sifat mekanik ... 9
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ... 9
Saran ... 10
DAFTAR PUSTAKA ... 10
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Hubungan derajat substitusi dengan kadar asetil ... 2
2 Kelarutan selulosa asetat... 2
3 Klasifikasi membran berdasarkan nilai fluks dan tekanan... 3
4 Komposisi CA dan PS pada tiap jenis membran ... 4
5 Penurunan nilai fluks air tiap jenis membran pada tekanan tertentu... 8
6 Ketebalan, elongasi, dan kekuatan tarik membran... 8
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1 Reaksi Asetilasi Selulosa ... 22 Serbuk BC dari Nata de soya ... 5
3 Serpihan CA... 6
4 Membran komposit CA-PS... 7
5 Hubungan antara fluks air dan waktu pada tiap tekanan... 7
6 Hubungan tekanan dengan nilai fluks air... 8
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Penetapan kadar air dan kadar α-selulosa ... 13
2 Penetapan kadar air dan kadar asetil selulosa asetat ... 14
3 Data kadar air dan kadar α-selulosa ... 15
4 Data kadar air dan kadar asetil selulosa asetat... 16
5 Perhitungan rendemen selulosa asetat... 18
6 Data pengukuran fluks air... 19
7 Data pengukuran fluks dekstran 200 ppm ... 21
PENDAHULUAN
Tahu merupakan salah satu makanan yang umum dikonsumsi oleh penduduk Indonesia karena harganya yang relatif murah. Tahu dibuat dengan bahan dasar kedelai yang memiliki kandungan protein tinggi, yaitu sebesar 35% atau bahkan mencapai 40-43% pada varietas unggul. Oleh karena itu, tahu merupakan sumber asupan protein yang sangat baik. Jika seseorang tidak boleh atau tidak dapat mengonsumsi protein hewani (misalnya pada vegetarian), maka kebutuhan protein dapat dipenuhi dengan mengonsumsi tahu atau produk turunan kedelai lain (IPTEKnet 2002).
Limbah yang dihasilkan dari produksi tahu sangat melimpah. Setiap 100 kg kedelai akan menghasilkan 1500-2000 l air limbah. Limbah cair yang dihasilkan mengandung padatan tersuspensi maupun terlarut, akan mengalami perubahan fisika, kimia, dan hayati yang akan menghasilkan zat beracun atau menciptakan media untuk tumbuhnya kuman. Air limbah akan berubah warnanya menjadi coklat kehitaman dan berbau busuk. Jika air limbah ini merembes ke dalam tanah yang dekat dengan sumur atau dialirkan ke sungai, maka air sumur atau sungai tersebut tidak dapat dimanfaatkan lagi karena dapat menimbulkan penyakit gatal, diare, dan penyakit lainnya (KLH 2001).
Pemanfaatan limbah tahu di antaranya sebagai bahan pembuatan makanan ternak,
nata de soya, makanan kecil (kastengel, stik
tahu) (KLH 2001). Akan tetapi, produk tersebut tidak bernilai komersial tinggi. Oleh karena itu, diperlukan pengolahan lebih lanjut untuk memperoleh produk yang lebih bernilai, salah satunya adalah membran selulosa asetat. Harga membran tersebut yang dipasarkan oleh Sterlitech Corporation (2002) berukuran 3x30 cm dan ukuran pori 0,45 µm adalah $232.00.
Selulosa yang merupakan bahan dasar membran umumnya diperoleh dari kayu dan kapas. Semakin tinggi populasi manusia di bumi, semakin menyempit lahan bagi tumbuhan, akibatnya harus dicari sumber selulosa lain (Awalludin et al. 2004). Selain tumbuhan, selulosa dapat dihasilkan oleh bakteri (Acetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Sarcina) yang dikenal sebagai
selulosa bakteri (BC) (Krystynowicz & Bielecki 2001). Media yang umum digunakan adalah air kelapa. Seiring dengan berkembangnya industri nata de coco, harga air kelapa menjadi semakin meningkat. Limbah tahu dapat dijadikan alternatif
penghasil BC. Produk yang dihasilkan dinamakan nata de soya.
Nata de soya merupakan suatu BC yang
dapat dijadikan sumber untuk membuat seluosa asetat (CA). Proses pembuatan CA dari BC telah banyak dilaporkan, di antaranya oleh Safriani (2000), Yulianawati (2002), dan Arifin (2004). CA tersebut dapat dijadikan bahan untuk membuat membran. Modifikasi membran CA telah banyak dilaporkan. Kim & Lee (1998) dan Ristiyani (2006) menggunakan polietilena glikol, sedangkan Somantri (2003) menggunakan formamida. Modifikasi tersebut hanya berpengaruh terhadap permeabilitas dan selektifitas membran, tetapi tidak berpengaruh terhadap kekuatannya. Polistirena (PS) dapat digunakan sebagai campuran polimer alami untuk meningkatkan kekuatan membran yang diperoleh (Meenakshi et al. 2002). Campuran PS dengan polimer alami juga dapat memudahkan penguraiannya (Sutiani 1997)
Penelitian ini bertujuan mengidentifikasi sifat membran komposit CA-PS melalui analisis fluks air, indeks rejeksi, dan sifat mekaniknya. Analisis ini bermanfaat untuk menentukan jenis dan kekuatan membran yang dibentuk. Membran komposit yang dihasilkan diharapkan memiliki karakteristik yang lebih baik dibandingkan dengan membran dengan bahan CA saja.
TINJAUAN PUSTAKA
Indonesia merupakan negara yang sebagian besar industrinya berbasis pertanian, salah satunya adalah industri tahu. Industri ini umumnya tidak memiliki instalasi pengolahan air limbah, sehingga limbah yang dihasilkan langsung dibuang ke sungai. Limbah tersebut dapat dimanfaatkan menjadi nata de soya.
Nata de Soya
Nata de soya adalah biomassa yang
sebagian besar terdiri dari selulosa atau disebut juga BC. Massa ini berasal dari pertumbuhan bakteri dengan limbah tahu sebagai media (Warintek 2005). Limbah tahu dapat dijadikan media karena komposisinya yang mengandung sumber nitrogen dan karbon.
BC merupakan salah satu produk metabolit dari mikroorganisme genus
Acetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, dan Sarcina. Penghasil BC yang paling efisien
2
ini diklasifikasi ulang sebagai Gluconobacter
xylinus (Krystynowicz & Bielecki 2001).
Produk BC dari suatu galur Acetobacter murni secara kimiawi, yaitu bebas dari lignin dan hemiselulosa serta produk-produk biogenik lainnya (Masaoka et al. 1993). Oleh karena itu, BC dapat dimurnikan dari media dan dari sel-sel bakteri yang terperangkap di dalamnya dengan larutan basa encer, misalnya NaOH 0.1 N, selama 20 menit, pada suhu 80oC. Inkubasi pembuatan BC dilakukan pada
pH 4. Hal ini dikarenakan A. xylinum juga memproduksi selulase di samping BC.
Selulase dapat menurunkan derajat
polimerisasi dari satu BC. Pada pH tersebut, jumlah selulase yang diproduksi sedikit (Toyosaki et al. 1995).
Selulosa Asetat
CA adalah selulosa yang gugus hidroksilnya diganti oleh gugus asetil berbentuk padatan putih, tak beracun, tak berasa, dan tak berbau (SNI 1991). Pembuatan CA dapat dilakukan dengan mereaksikan selulosa dengan anhídrida asetat menggunakan katalis H2SO4 (Gambar 1).
Gambar 1 Reaksi asetilasi selulosa
Pembuatan CA terdiri dari empat tahap, yaitu praperlakuan (aktivasi), asetilasi, hidrolisis, dan purifikasi. Tahap aktivasi menggunakan asam asetat glasial sebagai aktivator (Arifin 2004, Awalludin et al. 2004). Asetilasi bertujuan mensubstitusi gugus hidroksil dari selulosa dengan gugus asetil. Hidrolisis dilakukan dengan asam asetat encer untuk mengurangi kadar asetil hingga diperoleh derajat substitusi yang diinginkan (Tabel 1).
Tabel 1 Hubungan derajat substitusi dengan kadar asetil
Derajat substitusi Kadar asetil (%bobot) 0.6-0.9 1.2-1.8 2.2-2.7 2.8-3.0 13.0-18.6 22.2-32.2 36.5-42.2 43.0-44.8
Sumber: Fengel et al. (1985)
Kadar asetil berpengaruh terhadap pelarut yang digunakan pada proses pembuatan membran (Tabel 2). Purifikasi dilakukan dengan sentrifugasi bertujuan untuk memisahkan BC yang terasetilasi dan yang tidak, lalu disuspensikan ke dalam akuades (Mark et al. 1965).
Tabel 2 Kelarutan selulosa asetat
Kadar asetil (%) Pelarut
43.0-44.8 Diklorometana 37.0-42.0 Aseton 24.0-32.0 2-Metoksietanol 15.0-20.0 Air
<13.0 Tidak ada
Sumber: Kirk & Othmer (1993).
Membran komposit
Membran dapat didefinisikan sebagai suatu lapisan tipis yang menahan pergerakan satu atau lebih komponen. Komponen yang dilewatkan disebut permeat dan komponen yang ditahan disebut rentetat (Koros et al. 1996). Klasifikasi membran menurut Osada dan Nakagawa (1992) berdasarkan struktur terbagi atas membran homogen dan heterogen atau lebih dikenal dengan membran simetri dan asimetri. Membran simetri mempunyai struktur pori yang seragam, sedangkan membran asimetri mempunyai lapisan permukaan yang halus dan ukuran pori yang berbeda-beda. Membran asimetri mempunyai keuntungan, yaitu daya tahannya terhadap tekanan maupun fouling membran lebih baik daripada membran simetri. Pembuatan membran asimetri biasanya menggunakan metode inversi fasa.
Membran komposit adalah membran yang dibuat dengan bahan dasar campuran dua atau lebih polimer. Jenis membran ini umum dibuat untuk meningkatkan kualitas membran dibanding dengan satu jenis polimer sebagai bahan dasarnya. Senyawa yang umum digunakan adalah polietilena glikol (PEG) dan formamida. PEG dapat digunakan sebagai pembentuk pori dan meningkatkan permeabilitas membran (Li et al. 1998, Kim & Lee 1998). Penambahan formamida sebanyak
