INOVASI PEMBUATAN PLASTIK RAMAH LINGKUNGAN (BIODEGRADABLE) BERBAHAN DASAR PATI JAGUNG (Zea mays) DAN CHITOSAN (LIMBAH CANGKANG UDANG)
| Main Author: | Luluk Mufidah, dkk |
|---|---|
| Format: | PeerReviewed eJournal |
| Bahasa: | ind |
| Terbitan: |
PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA UM
, 2009
|
| Online Access: |
http://karya-ilmiah.um.ac.id/index.php/pkm/article/view/2124 |
Daftar Isi:
- RINGKASAN LAPORAN PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA JUDUL PROGRAM INOVASI PEMBUATAN PLASTIK RAMAH LINGKUNGAN (BIODEGRADABLE) BERBAHAN DASAR PATI JAGUNG (Zea mays) DAN CHITOSAN (LIMBAH CANGKANG UDANG) BIDANG KEGIATAN: PKM PENELITIAN Oleh: Luluk Mufidah (305332479108)/2005 Fidyah Nanda Kusuma (405332480082)/2005 Rindy Astri Wilujeng (305332479112)/2005 Choirul Anwar (304332473312)/2004 UNIVERSITAS NEGERI MALANG Malang 2008 INOVASI PEMBUATAN PLASTIK RAMAH LINGKUNGAN (BIODEGRADABLE) BERBAHAN DASAR PATI JAGUNG (Zea mays) DAN CHITOSAN (LIMBAH CANGKANG UDANG) Luluk Mufidah, Fidyah Nanda Kusuma, Rindy Astri Wilujeng, Choirul Anwar Universitas Negeri Malang ABSTRAK Pemanfaatan dan pengolahan sampah merupakan suatu tantangan. Plastik memiliki sifat tahanan terhadap bahan-bahan kimia, mudah dibuat bermacam bentuk dan ukuran, dapat diatur keelastisannya serta harganya relatif murah dan terjangkau oleh semua kalangan masyarakat. Oleh karena itu bahan dasar plastik sangat diminati oleh masyarakat sehingga sampah plastik memiliki persentase tertinggi di alam. Penggunaan plastik sebagai bahan dasar memberikan efek merugikan pada lingkungan. Plastik sulit terdegradasi dalam tanah sehingga akan menghambat aerasi tanah. Jika dibakar plastik akan menghasilkan gas dioksana yang beracun dan abu hasil pembakaran juga tidak dapat dimanfaatkan oleh tanah. Pati sebagai polimer alam memiliki kemampuan yang baik dalam terbiodegradasi. Akan tetapi, sifat mekanik pati sebagai polimer sangat tidak menguntungkan untuk dijadikan bahan dasar plastik. Beberapa penelitian yang telah dilakukan, digunakan polimer sintetik sebagai bahan dasar dan pati sebagai bahan pengisi, sehingga sifat mekanik bahan menjadi lebih baik. Selain bahan sintetik, untuk meningkatkan sifat mekanik bahan, dapat digunakan biopolimer yang bersifat hidrofob. Oleh karena itu, penelitian ini memanfaatkan chitosan sebagai campuran untuk pati jagung. Sehingga diperoleh poliblend pati jagung-chitosan dengan sifat mekanik yang lebih baik. Penelitian ini bersifat eksperimental melalui metode poliblending. Karakterisasi poliblend meliputi uji sifat mekanik (uji tarik dan perpanjangan), analisis termal dengan DSC, FTIR, uji biodegradasi poliblend dengan menggunakan jamur Aspergillus niger dan uji viskositas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa poliblend yangt dibuat memiliki karakter yang bagus dan cocok digunakan sebagai alternatif pengganti plastik konvensional. Data karakterisasi menunjukkan bahwa poliblend memiliki sifat higroskopis dan mudah terbiodegradasi di alam. Variasi komposisi pencampuran memberikan hasil maksimum untuk uji tarik pada 33,33% berat pati dalam poliblend. Kata kunci: pati, chitosan, poliblend, biodegradasi. PENDAHULUAN Berbicara mengenai sampah dan permasalahannya seakan-akan tidak ada habisnya. Bahkan berbagai argumen dan solusi pemecahan masalah sampah sudah seringkali kita dengar maupun kita baca dari berbagai media masa. Dari sekian banyak sampah yang ada, plastik memiliki persentase tertinggi, sebab dalam kehidupan sehari-hari hampir setiap produk menggunakan plastik sebagai kemasan atau bahan dasar. Material plastik banyak digunakan karena banyak mempunyai sifat unggul seperti ketahanan kimia yang tinggi mudah dibuat bermacam bentuk dan ukuran, dapat diatur keelastisannya serta harganya pun relatif murah dan terjangkau oleh semua kalangan masyarakat. Penggunaan plastik yang cukup besar ini mengakibatkan sampahnya cepat sekali menumpuk. Sampah plastik merupakan suatu permasalahan global karena plastik sulit terdegradasi oleh mikroorganisme dalam lingkungan juga cuaca, sehingga menyebabkan masalah lingkungan yang sangat serius. Plastik yang berbentuk film ini akan menutup permukaan tanah, sehingga aerasi tidak bisa berjalan semestinya (Sumari, 1995). Teknik konvensional seperti daur ulang dan pembakaran dilakukan untuk menanggulangi pencemaran yang diakibatkan plastik. Namun, ternyata belum mampu mengurangi tumpukan sampah plastik di alam. Pembakaran sampah plastik pun menimbulkan gas yang beracun, yaitu gas dioksin dan abunya tidak dapat dicerna oleh tanah. Selain masalah lingkungan yang ditimbulkan juga ada masalah baru yaitu sumber bahan baku plastik yang kian hari akan semakin habis. Karena biasanya, plastik konvensional dibuat dari bahan baku minyak bumi dan gas alam. Olefin adalah bahan baku pembuatan propylene, ethylene, dan butadiene yang menjadi produk hulu dari plastik. Suatu cara yang tepat dan telah diteliti dari dahulu adalah pencarian sumber bahan alternatif yang dapat diperbaharui dan dapat didegradasi dengan cepat oleh tanah. Namun perkembangan plastik degradable jauh lebih lambat daripada plastik konvensional, mengingat biaya produksi plastik biodegradable yang lebih mahal dari plastik konvensional. Walaupun lebih bersifat komersil namun nilai keamanannya terhadap lingkungan jauh lebih efektif. Produksi bahan plastik biodegradable akan mengalami peningkatan seiring dengan meningkatnya kesadaran akan pentingnya kelestarian lingkungan. Dewasa ini telah ditemukan beberapa macam plastik biodegradable antara lain, polihidroksi alkanoat(PHA), poli e-kaprolakton (PCL), poli butilen suksinat (PBS) dan poli asam laktat (PLA) . Namun, kebanyakan bahan baku untuk plastik biodegradable tersebut kebanyakan masih menggunakan sumber daya alam yang tidak diperbaharui (non-renewable resources) dan tidak hemat energi. Wiwik Sringatin Subowo (2006) telah meneliti dan menghasilkan plastik ramah lingkungan karena bisa terurai dengan bahan campuran pati jagung terlapisi dan polietilen, yaitu polimer sintetis berbasis petroleum. Vita paramita dkk (2006) menggunakan limbah cair industri pangan berbahan baku tepung terigu menjadi plastik polihidroksi alkanoat (PHA). Pati dapat menjadi bahan dasar dalam pembuatan plastik. Pati merupakan biopolimer karbohidrat yang dapat terdegradasi secara mudah di alam dan bersifat dapat diperbaharui. Pati sendiri memiliki batasan bervariasi terkait dengan kelarutan dalam air. Pati mempunyai lapisan tipis yang mudah rusak, sehingga untuk meningkatkan karakteristik pati dicampur dengan suatu polimer sintetik. Penelitian yang telah dilakukan adalah dengan mencampurkan pati tapioka dengan LLDPE (low linear density poly ethylene) yang merupakan produk sintetis. Plastik yang dihasilkan tersebut merupakan campuran polimer sintetik dan polimer alam sehingga dapat mengurangi laju degradasi plastik menjadi semakin pendek, namun masih dalam jangka waktu yang lama karena masih terdapat adanya bahan sintetik yaitu LLDPE. Dari hasil penelitian yang telah disebutkan di atas, pati yang digunakan adalah pati tapioka. Untuk itu, kami mencoba alternatif pati selain tapioka sebagai bahan dasar plastik biodegradable, yaitu jagung. Sebab jagung mempunyai kandungan karbohidrat yang tinggi dan bisa diperoleh dalam bentuk pati. Chitosan adalah senyawa kimia yang berasal dari bahan hayati kitin, suatu senyawa organik yang melimpah di alam ini setelah selulosa. Chitosan merupakan biopolimer yang bersifat hidrofobik atau bahan tahan air. Pencampuran pati jagung dengan chitosan dan diharapkan terbentuk suatu poliblend yang memunculkan gugus fungsi baru sehingga plastik yang terbentuk semakin kuat (tidak pera). Selain itu chitosan mempunyai gugus aktif yang berfungsi sebagai antimikroba. Dengan demikian diharapkan akan dihasilkan suatu plastik biodegradable baru yang memiliki sifat lebih unggul. METODE PENDEKATAN Chitosan merupan turunan senyawa kitin yang bersifat keras. Pati tersusun oleh monomer glukosa yang digunakan oleh bakteri untuk metabolisme. Kedua senyawa ini memiliki struktur yang serupa, sehingga campuran dari keduanya diharapkan memiliki ikatan yang kuat dan karakter paduan yang sebanding. Poliblend dari kedua senyawa ini diharapkan dapat diperoleh bahan alternatif pengganti plastik yang memiliki sifat mudah terdegradasi di alam oleh adanya pengaruh jamur dan mikroba lain. Pelaksanaan Program 1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan Proses penelitian dilakukan di Laboratorium Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang, uji tarik dan DSC dilakukan di LIPI Bandung, analisis gugus fungsi dengan FTIR dilakukan di Laboratorium IR kimia ITB, Bandung, Uji degradasi dengan Aspergillus niger dilakukan di laboratorium biokimia Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang. 2. Tahapan Pelaksanaan Penelitian ini merupakan penelitian eksperimental yang dilakukan di Laboratorium Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mensintesis poliblend pati jagung-chitosan sebagai bahan pembuat plastik biodegradable. Penelitian ini terdiri dari 3 tahap utama: a. Isolasi Pati Jagung Isolasi pati dilakukan pada tepung jagung halus yang dilarutkan dengan air lalu etanol. b. Poliblending Poliblend yang dibuat merupakan paduan dari bahan dasar yang dilarutkan dalam pelarut asam asetat encer. Biopolimer pati jagung ditambahkan ke dalam biopolimer chitosan kemudian diaduk dengan kecepatan 850 rpm. Selanjutnya poliblend lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 70°C. Pemanasan dilakukan hingga cairan dalam poliblend hilang, teramati sebagai padatan yang kaku berwarna kuning kecoklatan. c. Tahap karakterisasi Tahap analisis digunakan untuk mengetahui sifat-sifat fisik dan kimia dari film yang telah dibuat, termasuk juga kemampuan biodegradasi dalam media biakan Aspergillus niger. 1) Uji FT-IR Data serapan gugus fungsi pada spektrum infra merah digunakan untuk mengetahui jenis reaksi yang terjadi. Jika data berimpit dengan data spektrum IR bahan yang digunakan, maka proses yang terjadi merupakan proses fisika. Sedangkan jika data tidak berimpit, maka proses pembuatan film berlangsung dengan reaksi kimia. 2) Uji DSC (differential Scannig Calorimetry) Sampel dimasukkan ke dalam wadah alumunium, kemudian di tekan hingga menjadi lempeng tipis. Selanjutnya diletakkan di dalam alat DSC dan program di "run". 3) Uji tarik Sampel yang berbentuk lempeng dibuat dumbbell dengan menggunakan pemotong dumbell die cutter. ketebalan dan lebar bagian leher dumbbell diukur dengan mikrometer sekrup. Uji tarik dilakukan dengan menggunakan universal testing machine dan hasilnya dicetak di atas kertas. 4) Biodegradasi a. Penanaman Aspergilus niger pada media NSA Disiapkan biakan murni aspergillus niger dan media NSA yang baru. Penanaman aspergillus niger dari biakan murni ke midia NSA yang baru dilakuakan di dekat api bunsen. Biakan diinkubasi selama 3 hari pada suhu 30°C, dan aspergillus siap untuk ditubuhkan dalam media produksi. b. Pembuatan media produksi c. Perbanyakan aspergillus niger pada media produksi d. Biodegradasi poliblend Poliblend yang telah dipotong dengan ukuran yang sesuai dicelupkan dalam media beker gelas yang mengandung biakan, lalu dimasukkan dalam cawan petri yang mengandung media NSA. Proses fermentasi dihentikan setelah berjalan 1 bulan dengan cara mencelupkan ke dalam larutan HgCl2 0,2%. Poliblend diuji viskositasnya 5) Penentuan Penurunan Massa Molekul Relatif. Uji ini dilakukan pada poliblend sebelum proses pengeringan dan pada poliblend setelah proses biodegradasi. Poliblend hasil biodegradasi dilarutkan dalam pelarut asam asetat encer, kemudian diukur viskositasnya. 3. Instrumen pelaksanaan a. Alat-alat yang digunakan 1) Peralatan gelas, peralatan karakterisasi dan identifikasi meliputi: IR prestige -21, DSC 200 Seiko Instruments, universal testing machine, viskometer brokfield. 2) Peralatan pendukung meliputi: hot plate, magnetic stirrer, laminar flow, ose, grander, wadah polietilen, oven, dumbell die cutter, mikrometer sekrup, mechanical stirrer statif, neraca analitik. b. Bahan-bahan yang digunakan Jagung, chitosan hasil sintesis dari limbah kulit udang, CH3COOH, Aquades, Aspergillus niger, kertas saring, etanol p.a., alumunium foil, media sediaan jamur Aspergillus niger. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Poliblending pati jagung-chitosan Pengeringan dari proses poliblending memberikan hasil yang memuaskan. Plastik yang terbentuk berwarna transparan seperti layaknya plastik komersial yang beredar saat ini. Namun plastik yang terbentuk masih memiliki kekurangan yaitu memiliki kemampuan higroskopis yang tinggi pada bagian permukaan. Sehingga jika terkena air bagian permukaan akan mengembang, hal ini berlangsung berkelanjutan dan jika berlangsung cukup lama poliblend akan larut. Namun belum dapat ditentukan berapa lama proses kelarutan sempurna terjadi. 2. Uji IR Spektrum IR digunakan untuk mengetahui gugus fungsi yang terdapat dalam poliblend. Gugus fungsi komponen penyusun poliblend dibandingkan dengan gugus fungsi pada pati dan chitosan, sehingga dapat diperkiraka jenis interaksi yang terjadi. Berdasarkan analisa poliblend, pati dan chitosan diperoleh data spektrum IR sebagai berikut : Gambar1. Spektrum IR chitosan Gambar 2. Spektrum IR Pati Jagung dan poliblend chitosan-pati Berdasarkan data tersebut diketahui bahwa gugus fungsi antara chitosan, dan poliblend tidak berbeda, namun keduanya berbeda dengan pati. Hal ini dikarenakan gugus fingsi pada pati terdiri dari -OH, -CO-, dan -CH, sedangkan untuk chitosan terdiri dari -OH, -CO-, -CH, dan -NH. Oleh karena itu, poliblend antara keduanya akan menghasilkan gugus fungsi yang sama dengan chitosan karena adanya gugus -NH yang tidak ada pada pati. 3. Uji DSC Uji ini diperlukan untuk mengetahui temperatur leleh dari poliblend yang dibuat, serta untuk meramalkan apakan terjadi interaksi secara kimia dalam ikatan antara senyaw penyusunnya. Dari analisa poliblend, diperoleh kurva DSC yang disajikan pada lampiran 2. Berdasarkan kurva DSC tersebut, untuk chitosan hanya diperoleh satu puncak pada temperatur 95,5°C. Puncak ini diidentifikasi sebagai temperatur dehidrasi cjitosan, karena pada temperatur ini chitosan belum tidak meleleh. Demikian juga pada kurva DSC pati diperoleh puncak pada temperatur 90,3°C yang merupakan temperatur dihidrasi pati, yaitu penguapan air pada pati. Kurva DSC poliblend didapatkan dua puncak yaitu pada temperatur 78,9°C dan 131,3°C. Adanya pergeseran puncak terhadap penyususn senyawa awal menunjukkan adanya interaksi kimia yang berpengaruh terhadap temperatur pengupan. 4. Uji Tarik Komposisi optimal poliblend ditentukan berdasarkan sifat mekanik bahan terutama pada kekuatan tarik dan perpanjangan bahan. Sifat mekanik ini diperoleh melalui percobaan uji tarik. Sifat mekanik suatu bahan dipengaruhi oleh sifat alami masing-masing komponen dan kemampuan ikatan dalam senyawa penyusunnya. Data kekuatan tarik dan perpanjangan dari berbagai komposisi poliblend pati jagung-chitosan disajikan pada tabel berikut: Tabel 1. Data kekuatan tarik dan perpanjangan dari berbagai variasi komposisi. Komposisi Kekuatan tarik (Mpa) Perpanjangan (%) Chitosan Pati 10 0 47,5 6,9 10 1 37,5 7,3 10 3 43,6 6,9 10 5 56,0 5,3 10 7 53,5 6,7 Data uji tarik menunjukkan daya putus dari bahan, dari data tersebut dapat diketahui bahwa komposisi optimum diperoleh dengan komposisi pati 33,3% dari berat total. Adanya penambahan pati dengan jumlah tersebut ternyata dapat meningkatkan kekuatan tarik, hal ini dapat diakibatkan karena terjadi daya ikat maskimum antara pati dan chitosan. Daya regang sebanding seharusnya sebanding dengan komposisi chitosan, karena pati bersifat pera, yang berarti tidak memiliki perpanjangan yang bagus. Adanya pati seharusnya akan menurunkan perpanjangan poliblend. Dari data tersebut dimungkinkan terjadi interaksi yang khas antara pati dan chitosan mengikat komponen dan strktur penyususn kedua senyawa hampir sama. Perpanjangan maksimum diperoleh jika komposisi pati sebesar 0,09% dari berat total. 5. Uji Biodegradasi Uji biodegradasi digunkan untuk mengetahui kemampuan biodegradasi poliblend dengan media yang ditumbuhi jamur Aspergillus niger. Umumnya akan dicari berapa laju penurunan berat molekul dalam waktu tertentu, sehingga akan diketahui berapa lama poliblend akan habis terdekomposisi di alam. Pada penelitian ini hanya akan di tentukan apakah poliblend dapat terdegradasi dan berapa persen proses degradasi dalam kurun waktu satu bulan. Data persentase ditentukan dengan menghitung perbandingan antara viskositas poliblend awal dengan poliblend yang telah terdegradasi. Viskositas sebanding dengan berat molekul dari polimer, sehingga dapat digunakan untuk menghitung persentase penurunan berat molekul. Tabel 2. Viskositas rata-rata poliblend chitosan standar sebelum degradasi [Poliblend chitosan] (g/100mL) Viskositas rata-rata (cps) 0 C 1,367 0,125 C 3,330 0,25 C 6,350 0,5 C 12,175 1 C 24,500 Tabel 3. Viskositas rata-rata poliblend setelah degradasi Poliblend chitosan setelah degradasi (0,125 C) Poliblend chitosan-pati(10:7) setelah degradasi (0,125 C) Viskositas rata-rata (cps) 2,670 2,500 Berdasarkan tabel diatas dapat diketahui bahwa terjadi penurunan viskositas setelah degradasi. Hal ini mengindikasikan bahwa plastik yang dihasilkan telah terdegradasi oleh Aspergillus niger. Poliblend yang telah didegradasi disajikan pada gambar berikut : Gambar 3. Degradasi poliblend dengan Aspergillus niger Dari hasil penelitian, karakterisasi dan identifikasi poliblend chitosan-pati yang dihasilkan sangat berpotensi untuk dikembangkan lebih lanjut dan bias dimanfaatkan lebih luas. Keunggulan dari poliblend ini adalah terbuat dari bahan alam sehingga dapat digunakan sebagai edible ecoating yang aman untuk dikonsumsi, selain itu bersifat ramah lingkungan karena dapat dengan cepat terdegradasi di alam. KESIMPULAN 1. Poliblend chitosan-pati dapat dibuat plastik berwarna transparan layaknya plastik komersial yang beredar saat ini. 2. Plastik yang dihasilkan merupakan campuran fisik dari hasil interaksi chitosan-pati. 3. Plastik yang dihasilkan mempunyai kekuatan tarik maksimum pada perbandingan chitosan-pati (2:1). 4. Dari hasil uji DSC sampai suhu 200°C poliblend hanya mengalami proses penguapan. 5. Poliblend yang dihasilkan dapat didegradasi oleh Aspergillus niger. DAFTAR PUSTAKA Annual Book of ASTM Standard (1991). Standard Practice for Determining of Synthetic Polymeric Materials to Fungi. Philadelphia, 21-90. Anonim (2006) Mobil 'Terbuat' dari Tebu. (http://www.republika.co.id/ cetak_berita.asp?id=230488&kat_id=105&edisi=Cetak, diakses 10 Agustus 2007). Anonim. Tanpa tahun. Pati (polisakarida). (http://id.wikipedia.org/wiki/ Pati_%28polisakarida%29, diakses 23 Agustus 2007). Anonim (2007). Plastik yang Bisa Terurai. (http://ano.web.id/2007/05/11/plastik-yang-bisa-terurai, diakses 10 Agustus 2007). Billmeyer, J. R, R. W (1984). Textbook of PolymerScience,John Wiley & Sons Inc., New York. Budiman, N. Tanpa tahun. Tanpa judul, online (http://www.kompas.com/kompas-cetak/0302/28/Ilpeng/151875.htm, diakses 10 Agustus 2007) Cowd, M. A. (1991) Kimia Polimer. ITB press, Bandung Pranamuda, H. Tanpa tahun.. Pengembangan Bahan Plastik Biodegradable Berbahanbaku Pati Tropis. (http://wwwstd.ryu.titech.ac.jp/~indonesia/ zoa/paper/html/paperHardaningPranamuda.html.) Prasetiyo, K. W. Pemanfaatan Limbah Cangkang Udang - Sebagai Bahan Pengawet Kayu Ramah Lingkungan. (http://www.kompas.com/kompas-cetak/0407/15/Jendela/1148279.htm) Sopyan, I (1991) Kimia Polimer. PT Pradnya Paramita, Jakarta Subowo, W. S (2007) Bahan Plastik Ramah Lingkungan. (http://www.tokohindonesia.com/ensiklopedi/w/wiwik-sringatin/index.shtml., diakses 15 Agustus 2007). Sulhanudin, M. Tanpa tahun. Chitosan Pengganti Formalin Pada Produk Perikanan. (http://www.suaramerdeka.com/cybernews/harian/ 0601/06/nas9.htm., diakses 20 Agustus 2007). Sumari (2002). Dasar-Dasar Kimia Polimer. Malang: Universitas Negeri Malang. Sumari (1995). Biodegradasi Poliblend linear low density polyethylene (LLDPE)-pati .tesis tidak diterbitkan program magister kimia pascasarjana ITB, Bandung Sutadji (2002). Bahan-bahan Non Ferrous Metal (Poliblend, Keramik dan Plastik). Fakultas Teknik UM, Malang