BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

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 ) - CH 3 & CH 2 CH 3 PHBHx - CH 3 & - CH 2 CH 2 CH 3 PHBO - CH 3 & -(CH 2 ) 4 CH 3

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 Sumber Karbon Nutrisi Pembatas Moetode Fermentasi Waktu Fermentasi Konsentrasi Sel (g/l) Konsentrasi PHB (g/l) Kandungan PHB (%) Yield PHB (g PHB / g Substrat) Alcaligenes Eutrophus Alcaligenes Lactus Recombinant E. Coli M. Organophilum Glukosa Sukrosa Glukosa Metanol Nitrogen - Potassium - Kontrol Konsentrasi Glukosa Referensi Kim, dkk 1994 PH-stat PH-stat Kontrol Konsentrasi Methanol 50 jam jam 39 jam 70 jam Yamane,dkk 1996 Unpublished Result Kim, dkk 1996 Karakteristik yang dimiliki oleh PHB hampir sama dengan karakteristik polipropilen, sehingga PHB berpotensi menggantikan plastik sintetik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 ( 0 C) Suhu Glass-transition ( 0 C) Berat Molekul Distribusi berat molekul Densitas (g/cm 3 ) Crystallinity (%) Modulus Young (GPa) Tensile Strength (MPa) Extension to Break (%) Solvent Reistance Ultraviolet Resistnace Oxygen Permeabelity Biodegradability x x Poor Good 45 Excellent Sumber: Biotechnology Bioprocess Engineering, Choi, x Good Poor 1700 Poor 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 O 2 (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 : Metode Pemisahan Solvent Extraction Digestion Methods Mechanical Treatment Supercritical CO 2 Extraction Using cells fragility High purity recovered PHA 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.

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 CO 2 Sedangkan pada metode pemisahan dengan Supercritical CO 2 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 Glukosa (C 6 H 12 O 6 ) PHB plant menggunakan bahan baku utama yaitu glukosa. Sifat Fisik glukosa Berat Molekul : g/mol Densitas : 1.54 g/cm 3 Kelarutan dalam Air : 91 g/100 ml pada 25 0 C Kelarutan dalam Metanol : M Entalpi Pembakaran : kj/mol Entalpi Pembentukan : kj/mol Titik Leleh : C 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 Eutrophus

8 Tabel 2.3 Komposisi Kultur Medium Sintetik No Komposisi Konsentrasi (g/l) 1 Na 2 HPO KH 2 PO NH 4 Cl Glukosa MgSO Trace Element* 1.0 ml * Trace Element : FeCl 3 : 9.7 ; CaCl 2 : 7.8 ; CuSO 4 : ; CoCl 2 : ; NiCl 2 : ; CrCl 2 : g/l 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 : C Titik leleh : 420 o C Densitas : 2.1 g/cm 3 Kelarutan dalam Air : 110 g/100ml pada 25 0 C Bersifat Basa Kloroform (CHCl 3 ) Sifat sifat dari kloroform yaitu : Berat Molekul : g/mol Fasa : Cair Titik didih : 61.2 o C Titik leleh : o C Densitas : 1.48 g/cm 3 Kelarutan dalam Air : 0.8 g/100 ml pada 20 0 C

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: 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 (NH 4 ) 2 SO 4 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±2 0 C 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 jam bakteri yang mengandung PHB siap untuk dipanen (Henderson, 1999). Tabel 2.4 Komposisi Kultur Medium Sintetik No Komposisi Konsentrasi (g/l) 1 Na 2 HPO KH 2 PO Glukosa MgSO 4 7H 2 O Trace Element* 10 ml * Trace Element : FeCl 3, 9.7, CaCl, 7.8, CuSO 4 : ; CoCl 2 : ; NiCl 2 : ; CrCl 2 : 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) 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 (CHCl 3 ) untuk melarutkan PHB. Pada tangki ini dilengkapi dengan pengaduk dengan kecepatan 200

11 r.p.m. Proses ekstraksi berlangsung selama 1 jam pada suhu 60 0 C, 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 90 0 C, 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 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 : 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 Na 2 HPO 4 160,824 0,160 KH 2 PO 4 122,983 0,122 MgSO 4 7H 2 O 113,523 0,113 C 6 H 12 O , ,229 FeCl 3 9,176 0,009 CaCl 2 7,379 0,007 CuSO 4 0,147 0,0002 CoCl 2 0,112 0,0001 NiCl 2 0,111 0,0001 CrCl 2 0,023 0,00002 KOH 90,061 (NH 4 ) 2 SO 4 378,409 PHB 568,182 Non-PHB 179,426 H 2 O , ,798 Total , , 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 Non-PHB 179, ,426 Na 2 HPO 4 0,160 KH 2 PO 4 0,122 MgSO 4 7H 2 O 0,113 C 6 H 12 O 6 189,229 3, FeCl 3 0,009 CaCl 0,007 CuSO 4 0,0002 CoCl 2 0,0001 NiCl 2 0,0001 CrCl 2 0,00002 H 2 O ,798 11, ,798 Pengotor* 0,008 3,784 Total , ,049 *) : 2% dari kultur medium sisa selain glukosa dan air

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 ) Alur 8 Alur 10 Alur 11 Non-PHB 179, ,426 Air Pengotor 15,257 15,257 Air , ,200 Total , , Disk Centrifuge (CF-102) Tabel 3.4 Neraca Massa pada Disc Centrifuge (CF-102) Masuk (kg.jam -1 ) Keluar (kg.jam -1 ) Komponen Alur 11 Alur 12 Alur 13 Non-PHB 179, ,426 Air , ,200 15,257 Total , , 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 Non-PHB 179, ,426 CHCl , ,748 Air 15, , ,357 Total , , Disk Centrifuge (CF-103) Tabel 3.6 Neraca Massa pada Disc Centrifuge (CF-103) Masuk (kg.jam -1 ) Keluar (kg.jam -1 ) Komponen Alur 16 Alur 17 Alur 18 Non-PHB 179, ,830 11,595 CHCl , ,748 Air 9.360,357 3, ,782 Total , ,564

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 ) Alur 18 Alur 19 Alur 20 Non-PHB 11,595 11,595 CHCl , ,748 Air 9.363, , ,278 Total , , Dekanter (DC-101) Tabel 3.8 Neraca Massa pada Dekanter (DC-101) Masuk (kg.jam -1 ) Keluar (kg.jam -1 ) Komponen Alur 20 Alur 21 Alur 22 Non-PHB 11,595 11,595 CHCl , ,748 Air ,278 11, ,446 Total , , Spray Dryer (SPD-101) Tabel 3.10 Neraca Massa pada Spray Dryer (SPD-101) Masuk (kg.jam -1 ) Keluar (kg.jam -1 ) Komponen Alur 25 Alur Steam Alur 20 Non-PHB 11,595 11,595 Air 11,832 11,832 Total 591, ,609