TEKNOLOGI BIOPOLIMER
(Biopolymers Technology)
Dr. Mohammad Masykuri, M.Si.
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN KIMIA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
Kimia Polimer
Tinjau Ulang Klasifikasi Polimer
• Polimer diklasifikasikan dalam:
• Sintetik
• Alami
• Polimer sintetik diperoleh dari polimerisasi minyak
bumi melalui rekayasa proses menggunakan katalis
dan panas.
Contoh Polimer Sintetik
• Polyethylene
• Polypropylene
• Polytetrafluoroethylene (Teflon®)
• Polyvinylchloride
• Polyvinylidenechloride
• Polystyrene
• Polyvinylacetate
• Polymethylmethacrylate (Plexiglas®)
• Polybutadiene
• Polyisoprene
• Polycarbonate
• Polyester
• Polyamide (nylons)
• Polyurethane
• Polyimide
• Polyureas
• Polysiloxanes
Polimer alami
• Polimer alami telah lama digunakan untuk: pakaian, dekorasi, peralatan, perlindungan, transportasi, dsb.
• Contoh polimer alami:
• Pati
• Selulosa (kayu)
• Protein
• Rambut
• Sutera
• DNA and RNA
Biopolimer
• Biopolimers diperoleh dari polimerisasi bahan baku bio dengan rekayasa proses industri.
• Bahan baku Bioplomer diisolasi dari tanaman,
binatang atau disintesis dari biomass menggunakan enzim/mikrobia.
Contoh Biopolimer
• Polyesters
• Polylactic acid
• Polyhydroxyalkanoates
• Proteins
• Silk
• Soy protein
• Corn protein (zein)
• Polysaccharides
• Xanthan
• Gellan
• Cellulose
• Starch
• Polyphenols
• Lignin
• Tannin
• Humic acid
• Lipids
• Waxes
• Surfactants
• Specialty polymers
• Shellac
•
Mengapa Biopolimer?
• Bahan bakar fosil (minyak, gas, batubara) semakin mahal dan langka karena tidak dapat diperbaharui sehingga diperlukan bahan baku yang terbaharui.
• Kini mulai dikembangkan teknologi untuk biopolimer baru menggunakan tanaman.
• Sebagian besar polimer sintetik tidak biodegradable
Biodegradable Polymers
• Polimer seperti polyethylene dan polypropylene tahan di lingkungan sampai beberapa tahun setelah pembuangan.
• Recycling secara fisis terhadap plastik sering tidak praktis dan tidak diinginkan
• Biodegradable polymers mudah dirombak secara enzimatis atau hidrolisis alami.
Untuk apa Polimer biodegradable?
• Bahan pengemas (mis, tas belanja, kemasan makanan, karton untuk telur, dsb)
• Medik (mis alat suntik, wadah infus, dsb)
• Kosmetik
• Mainan anak,
• dsb
Ada Tiga Kelompok Biopolimer Yang Menjadi Bahan Dasar Dalam Pembuatan Film Kemasan Biodegradable
• Campuran biopolimer dengan polimer sintetis
Film jenis ini dibuat dari campuran granula pati (5 – 20
%) dan polimer sintetis serta bahan tambahan
(prooksidan dan autooksidan). Bahan ini memiliki nilai biodegradabilitas yang rendah dan biofragmentasi
sangat terbatas.
Polimer mikrobiologi (polyester)
Biopolimer ini dihasilkan secara bioteknologis atau fermentasi dengan mikroba genus Alcaligenes .
Biopolimer jenis ini diantaranya polihidroksi butirat (PHB),
polihidroksi valerat (PHV), asam polilaktat (polylactic acid) dan asam poliglikolat (polyglycolic acid).
Bahan ini dapat terdegradasi secara penuh oleh bakteri, jamur dan alga. Namun oleh karena proses produksi bahan dasarnya yang rumit mengakibatkan harga kemasan biodegradable ini relatif mahal.
Polimer Pertanian
• Biopolimer ini tidak dicampur dengan bahan sintetis dan diperoleh secara murni dari hasil pertanian. Polimer pertanian ini diantaranya cellulose
(bagian dari dinding sel tanaman), cellophan, celluloseacetat, chitin (pada kulit Crustaceae), pullulan (hasil fermentasi pati oleh Pullularia pullulans ).
• Polimer hasil pertanian mempunyai sifat termoplastik, sehingga mempunyai potensi untuk dibentuk atau dicetak menjadi film kemasan.
• Keunggulan polimer jenis ini adalah tersedia sepanjang tahun (renewable) dan mudah hancur secara alami (biodegradable). Beberapa polimer
pertanian yang potensial untuk dikembangkan adalah pati gandum, pati jagung, kentang, casein, zein, konsentrat whey dan soy protein.
Polyhydroxyalkanoates
• Polyhydroxyalkanoates (PHA) diakumulasi sebagi granula dalam sitoplasma sel.
• PHAs adalah poliester termoplastik
• Sifat dapat elastis seperti karet (rantai panjang)
H O C O
(CH2) C O
n OH
[ ]
Produksi PHA
Bahan Baku
Preparasi Media Fermentasi
Penghancuran Sel Pencucian
Sentrifugasi
Sumber Karbon
Pertumbuhan Bakteri dan akumulasi polimer
Pemurnian Polimer
Polylactic Acid
• Polylactic acid (PLA) didegradasi secara hidrolisis dan tidak diserang mikrobia
• Serat PLA halus seperti sutera dengan menjaga kelembaban yang bagus.
• Kopolimer asam laktat dan asam glikolat digunakan dalam bidang kesehatan.
• Bahan baku yang dapat digunakan dalam pembuatan PLA adalah semua bahan yang mengandung pati seperti singkong, ubi jalar, jagung, dan gandum.
• Pati yang telah diperoleh diolah lebih lanjut menjadi glukosa melalui proses hidrolisis. Glukosa inilah yang nantinya akan difermentasi oleh mikroorganisme seperti bakteri Lactobacillus menjadi asam laktat
sebagai monomer.
Polylactic Acid
• Selanjutnya asam laktat dipolimerisasi dengan bantuan panas dan katalis logam menjadi PLA.
• Selain Lactobacillus, juga dikembangkan proses fermentasi
menggunakan ragi Sacharomieces cerevisiae dan Escerecia coli.
• Keunggulan PLA adalah waktu penguraiannya yang singkat hanya kurang lebih 2-6 minggu serta sedikit dihasilkan residu CO 2.
Polylactic Acid
Metode Pembuatan Film
A. Metode pembuatan film yang dikembangkan oleh Isobe
• Bahan dasar (zein) dilarutkan dalam aceton dengan air 30 % (v/v) atau etanol dengan air 20 % (v/v).
• Kemudian ditambahkan bahan pemlastik (lipida atau gliserin), dipanaskan pada 50o c selama 10 menit.
• Selanjutnya dilakukan pencetakan pada casting dengan menuangkan 10 ml campuran ke permukaan plat polyethylene yang licin.
• Dibiarkan selama 5 jam pada suhu 30 sampai 45o c dengan rh ruangan terkendali.
• Film yang terbentuk dilepas dari permukaan cetakan (casting), dikeringkan dan
B. Metode yang dikembangkan oleh Frinault dengan bahan dasar (casein) menggunakan pencetak ekstruder dengan tahap proses terdiri dari :
1. pencampuran bahan dasar dengan aceton/etanol- air, 2. penambahan plasticiser,
3. pencetakan dengan ekstruder kemudian pengeringan film.
Metode Pembuatan Film
C. Metode yang Dikembangkan Yamada
1. Bahan dasar (zein) dilarutkan dalam etanol 80 %.
2. Ditambahkan pemlastis, dipanaskan pada suhu 60 sampai 70o C selama 15 menit.
3. Campuran kemudian dicetak pada auto-casting machine.
4. Selanjutnya dibiarkan selama 3 – 6 jam pada suhu 35o c dengan rh ruangan 50 %.
5. Film kemudian dikeringkan selama 12 – 18 jam pada suhu 30o c pada rh 50
%.
6. Dilanjutkan dengan conditioning dalam ruang selama 24 jam pada suhu dan
Biodegradabilitas
• Alasan utama membuat kemasan plastik berbahan dasar bioplimer adalah sifat alamiahnya yang dapat hancur atau terdegradasi dengan mudah.
• Umumnya setelah sampah kemasan dibuang ke tanah (landfill), akan
mengalami proses penghancuran alami baik melalui proses fotodegradasi (cahaya matahari, katalisa), degradasi kimiawi (air, oksigen), biodegradasi (bakteri, jamur, alga, enzim) atau degradasi mekanik (angin, abrasi).
• Proses-proses tersebut dapat berlansung secara tunggal maupun kombinasi.
Beberapa faktor yang mempengaruhi tingkat biodegradabilitas kemasan
setelah kontak dengan mikroorganisme, yakni : sifat hidrofobik, bahan aditif,
Proses terjadinya biodegradasi film kemasan pada lingkungan alam
• Dimulai dengan tahap degradasi kimia yaitu dengan proses oksidasi molekul, menghasilkan polimer dengan berat molekul yang rendah.
• Proses berikutnya (secondary process) adalah serangan
mikroorganisme (bakteri, jamur dan alga) dan aktivitas enzim (intracellular, extracellular).
• Contoh mikroorganisme diantaranya bakteri phototrop (Rhodospirillium, Rhodopseudomonas, Chromatium, Thiocystis), pembentuk endospora (Bacillus, Clostridium), gram negatif aerob (Pseudomonas, Zoogloa, Azotobacter, Rhizobium), Actynomycetes, Alcaligenes
• Umumnya kecepatan degradasi pada lingkungan limbah cair anaerob lebih besar dari pada limbah cair aerob, kemudian dalam tanah dan air laut.
• Kendala utama yang dihadapi dalam pemasaran kemasan ini adalah harganya yang relatif tinggi dibandingkan film kemasan PE.
•
• Biaya produksi yang tinggi berasal dari komponen bahan baku (sumber karbon), proses fermentasi (isolasi dan purifikasi polimer) dan investasi modal. Upaya untuk menekan harga tersebut adalah menggunakan substrat dari methanol, molasses dan hemicellulose hydrolysate
• Di Indonesia penelitian dan pengembangan teknologi kemasan plastik biodegradable masih sangat terbatas.
• Hal ini terjadi karena selain kemampuan sumber daya manusia dalam penguasaan ilmu dan teknologi bahan, juga dukungan dana penelitian yang terbatas. Dipahami bahwa penelitian dalam bidang ilmu dasar memerlukan waktu lama dan dana yang besar.
• Prospek pengembangan biopolimer untuk kemasan plastik biodegradable di Indonesia sangat potensial.
• Alasan ini didukung oleh adanya sumber daya alam, khususnya hasil
pertanian yang melimpah dan dapat diperoleh sepanjang tahun. Berbagai hasil pertanian yang potensial untuk dikembangkan menjadi biopolimer adalah jagung, sagu, kacang kedele, kentang, tepung tapioka, ubi kayu (nabati) dan chitin dari kulit udang (hewani) dan lain sebagainya