UNESA Journal Of Chemistry Vol. 3 No. 1 January 2014

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KITOSAN-Ca-ALGINAT

PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF CHITOSAN-Ca–ALGINATE MEMBRANE

Faridatun Nikmah * dan Sari Edi CahyaningrumDepartment of Chemistry, Faculty of Mathematics and Sciences

State University of SurabayaJl. Ketintang Surabaya (60231), Telp. 031-8298761

* Korespondensi, email: faridacubby18@yahoo.co.id

Abstrak. Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan membran kitosan - Ca - alginat dan pemanfaatannya sebagai penyaring fosfat. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik membran serta aplikasi membran sebagai penyaring fosfat. Membran kitosan – Ca - alginat dibuat dengan cara mencampurkan larutan kitosan dan larutan alginat dengan perbandingan 3;1 (v/v) pada pH 4,92, sedangkan konsentrasi kalsium divariasi, yaitu 0; 0,05; 0,1; dan 0,2 M. Membran kitosan – Ca - alginat dilakukan karakterisasi fisika dan kimia meliputi uji sifat mekanik menggunakan autograph, uji kemampuan mengembang (swelling), analisis morfologi dan ukuran pori membran menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM), analisis gugus fungsional menggunakan Spektrofotometri FTIR. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat mekanik membran dipengaruhi oleh penambahan kalsium, semakin tinggi konsentrasi kalsium dalam membran, maka nilai modulus young juga semakin tinggi. Pada uji swelling dihasilkan bahwa semakin tinggi konsentrasi kalsium dalam membran maka kemampuan mengembang semakin kecil. Hasil dari SEM menunjukkan membran kitosan – Ca - alginat dengan penyaringan dan penambahan kalsium 0,1 M (MKCA-P 0,1) termasuk dalam rentang membran ultrafiltrasi, sedangkan membran kitosan - alginat (MKA) dan membran kitosan – Ca – alginat dengan penyaringan dan penambahan kalsium 0,05 M (MKCA-P 0,05) termasuk dalam rentang membran mikrofiltrasi. Analisis gugus fungsional berdasarkan spektra IR menunjukkan bahwa adanya pergeseran, kenaikan dan penurunan intensitas untuk serapan pada vibrasi ulur –OH, ulur C=O sym, ulur -C-O dan Na-O, terdapat tumpang tindih serapan pada vibrasi tekuk –NH dan ulur C=O asym, serta hilangnya serapan vibrasi ulur –CH.

Kata-kata kunci: Membran, Kitosan –Ca - Alginat, Fosfat.

Abstract. The research about syntesis chitosan–Ca–alginate membrane and its utilization as phosphate filter has been done. The purpose of this study was to determine the characteristics of chitosan – Ca – alginate membrane and applications as a phosphate filter. Chitosan - Ca - alginate membrane preparated by mixing chitosan solution and alginate solution with ratio of chitosan and algnate 3:1 (v/v) at pH 4.92, while the calcium concentration was varied, which is 0 ; 0.05, 0.1, and 0.2 M. Chemical and physical characterization of chitosan – Ca – alginate membrane included mechanical properties test using autographs, test capability expands (swelling test), analysis of morphology and pore size of the membrane using Scanning Electron Microscopy (SEM), and analysis of functional groups using FTIR (Fourier Transform Infra Red) spectrophotometry. The results showed that the mechanical properties of membrane is affected by the addition of calcium, the higher the concentration of calcium in the membrane, then the value of modulus young is also higher. In the swelling test result that the higher the concentration of calcium in the membrane expands the ability of the smaller. The results of SEM showed chitosan - Ca - alginate membrane with filtering and addition of 0.1 M calcium (MKCA - P 0.1) are included in the range of ultrafiltration membrane, while the chitosan - alginate membrane (MKA) and chitosan - Ca - alginate membrane with filtering and the addition of 0.05 M calcium (MKCA - P 0.05) are included in the range of microfiltration membrane. Analysis of functional groups by IR spectra indicate that the shift, the increase and decrease in the intensity of absorption for the vibration –OH stretching, C=O sym stretching, -CO stretching and Na-O, there is overlap in the absorption for the vibration -NH bending and C=O asym stretching, as well as the loss in the absorpsi of vibration -CH stretching.

Keywords : Membrane, Chitosan - Ca - Alginate, Phosphate.PENDAHULUAN

55

UNESA Journal Of Chemistry Vol. 3 No. 1 January 2014

Indonesia merupakan negara maritim dengan sumber daya alam sangat melimpah, namun potensi sumber daya kelautan Indonesia belum termanfaatkan secara maksimal. Pemanfaatan hasil kelautan untuk keperluan konsumsi menghasilkan limbah dalam jumlah besar yang belum dimanfaatkan secara komersial, sebagian besar merupakan buangan yang turut mencemari lingkungan.

Salah satu alternatif upaya pemanfaatan limbah tersebut agar memiliki nilai dan daya guna bernilai ekonomis tinggi adalah pengolahan limbah yang mengandung kitin menjadi kitosan. Kandungan kitin pada limbah udang mencapai 42-57%, pada limbah kepiting mencapai 50-60%, cumi-cumi 40%, dan kerang 14-35% [1]. Kitin adalah biopolimer yang tersusun atas unit-unit N-asetil-D-glukosamin berikatan β-(1,4) yang paling banyak dijumpai di alam setelah selulosa. Kitin dijumpai sebagai komponen eksoskeleton kelompok crustaceae, dinding sel insekta, moluska, dan jamur.

Kitosan merupakan polimer dengan struktur β-(1,4)-2-amino-2-dioksi-D-glukosa yang dapat diperoleh dengan cara deasetilasi kitin. Kitosan juga merupakan suatu polimer multifungsi karena mengandung gugus fungsi yaitu gugus amina dan gugus hidroksil. Adanya gugus fungsi ini menyebabkan kitosan mempunyai reaktifitas kimia yang tinggi dan menyebabkan sifat polikation kitosan [2].

Pada saat ini penelitian mengenai pemanfaatan polimer alam sebagai membran sedang berkembang, khususnya membran hemodialisis. Pada proses ini digunakan membran buatan semipermeabel dengan prinsip dasar menerapkan proses dialisis dan ultrafiltrasi. Karakteristik struktur membran ultrafiltrasi adalah memiliki ukuran pori antara 0,005-0,1 µm [3]. Membran ini beroperasi pada tekanan 1-5 bar.

Selama ini yang banyak digunakan sebagai membran hemodialisa adalah membran selulosa dan turunannya seperti selulosa asetat, metil selulosa, selulosa triasetat, selulosa nitrat, dan etil selulosa [4]. Kitosan dapat dijadikan sebagai salah satu alternatif bahan dasar pembuatan membran semipermeabel yang digunakan pada proses dialisis [5]. Akan tetapi, membran dengan berbahan dasar kitosan saja tidak dapat langsung digunakan karena

strukturnya yang sangat rapuh dan mempunyai ketahanan sobek yang rendah [6]. Oleh karena itu, diperlukan adanya modifikasi terhadap bahan dasar dari membran dengan menggunakan material lain, sehingga diharapkan akan membentuk membran dengan karakter lebih baik [7], misalnya peningkatan kestabilan membran dengan menambahkan polimer penguat [8].

Alginat merupakan polimer anionik dari asam β-D-manuronat dan α-L-guluronat yang dapat diisolasi dari alga coklat (Phaeophytaceae). Alginat yang merupakan polianionik dan kitosan polikationik, bila dilarutkan pada kondisi yang tepat dapat berinteraksi satu sama lain melalui gugus karboksil dari alginat dan gugus amina dari kitosan [4].

Natrium alginat dan kalium alginat dapat larut dalam air sedangkan kalsium alginat tidak larut dalam air. Hal tersebut dikarenakan kalsium membentuk dwi-kation Ca2+ dan membentuk khelat dengan oksigen guluronat [9]. Ikatan ini penting dalam pembentukan kekuatan gel alginat [10]. Natrium alginat dapat diubah menjadi kalsium alginat dengan mereaksikan natrium alginat dengan garam CaCl2. Membran kitosan yang dibuat pada penelitian ini akan dimodifikasi dengan dengan penambahan natrium alginat dan kalsium klorida. Membran ini mempunyai sifat biodegradable, biocompatibility, dan tidak beracun, sehingga membran ini aman digunakan untuk menyaring sisa metabolisme seperti pada proses hemodialisis.

Berdasarkan pada uraian diatas maka peneliti akan membuat membran kitosan - Ca - alginat serata karakterisasi membran meliputi uji sifat mekanik, kemampuan mengembang (swelling), analisa morfologi permukaan membran, serta analisa gugus fungsional membran.

METODE PENELITIANBahan

Beberapa bahan yang digunakan pada penelitian ini: kitosan, alginat, CaCl2.2H2O, CH3COOH, HCl, NaOH.Alat

Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah: gelas kimia, gelas ukur, loyang plastik, magnetik stirrer, pH meter, autograph, SEM, dead-end, Spektrofotometer FTIR.

56

UNESA Journal Of Chemistry Vol. 3 No. 1 January 2014

PROSEDUR PENELITIANPembuatan Membran Kitosan – Ca - Alginat

Pembuatan membran dilakukan dengan cara 3 gr kitosan dilarutkan ke dalam 100 mL asam asetat 2% (v/v). Selanjutnya ditimbang 3 gr alginat dan dilarutkan dalam 100 mL akuades. Kedua larutan dibiarkan satu malam. Larutan kitosan dan larutan alginat dicampur dengan perbandingan komposisi kitosan dan alginat sebesar 3:1 (v/v). Selanjutnya ditambahkan 2 mL HCl 1% (v/v) dan 3 tetes larutan NaOH 10% (b/v) dan diaduk sampai homogen. Larutan kitosan - alginat yang terbentuk didiamkan selama 1 jam kemudian dicetak dan direndam dalam 50 mL larutan kalsium klorida masing-masing dengan konsentrasi 0; 0,05; 0,1; dan 0,2 M selama 24 jam. Larutan kitosan – alginat tanpa penambahan kalsium klorida sebagai membran kitosan alginat (MKA). Larutan kitosan – alginat yang direndam dengan konsentrasi kalsium klorida 0,05; 0,1; dan 0,2 M terdapat koagulan. Koagulan dipisahkan untuk membran kitosan – Ca - alginat dengan penyaringan (MKCA-P) dan tidak dipisahkan untuk membran kitosan – Ca - alginat tanpa penyaringan (MKCA-TP). Larutan-larutan tersebut dikeringkan pada suhu kamar hingga terbentuk lapisan tipis. Membran yang sudah kering ditambahkan larutan NaOH 1% hingga membran terangkat ke permukaan. Selanjutnya membran dicuci dengan akuades untuk menghilangkan NaOH.Karakterisasi Membran Kitosan – Ca – Alginat Uji sifat mekanik

Membran dipotong dengan ukuran 1 x 6 cm2

kemudian membran dijepit pada alat autograph. Selanjutnya membran diamati sampai putus kemudian dicatat nilai load dan pertambahan

panjang ( ) yang dihasilkan.

Uji swelling membran

Membran dipotong dengan ukuran 2 x 2 cm2, kemudian ditimbang beratnya sebagai berat awal (

). Membran direndam dalam 50 mL aquades

selama 0, 10, 20, 30, 40, dan 50 menit. Selanjutnya

ditimbang berat membran basah yang konstan ( ).

% kemampuan swelling = x 100%

Analisis morfologi permukaan membran

Analisis morfologi permukaan membran menggunakan SEM untuk mengetahui struktur dan ukuran pori membran.

Analisis gugus fungsional

Penentuan gugus fungsi membran menggunakan spektrofotometer FTIR

HASIL DAN PEMBAHASANPembuatan membran kitosan-Ca-alginat

Larutan kitosan-alginat dibuat dengan perbandingan komposisi 3:1 (v/v). Penambahan HCl berfungsi sebagai katalis [11]. Kalsium klorida ditambahkan pada membran agar diperoleh membran yang kuat dan memiliki pori-pori yang lebih rapat. Pada interaksi antara kalsium, alginat, dan kitosan, membentuk ikat silang, dimana ikat silang tersebut memperkokoh ikatan kitosan-kalsium-alginat sehingga membran yang dihasilkan tidak mudah koyak [12]. Karakterisasi membran kitosan-Ca-alginatUji sifat mekanik

Membran MKCA 0,2 mempunyai nilai modulus young yang paling besar. Hal tersebut dikarenakan semakin besar konsentrasi kalsium yang ditambahkan menyebabkan jarak antara molekul dalam membran semakin rapat sehingga nilai modulus young membran semakin besar.Tabel 1. Data Hasil Uji Sifat Mekanik Membran

Membran[CaCl2]

(M)Load

(N/mm2)Elongation

(%)

Modulus young

(N/mm2)

MKA 0 28,75 9.98 2,88MKCA-P 0,05 35,28 4,85 7,27

0,1 38,22 4,72 8,100,2 41,98 4,47 9,39

MKCA-TP 0,05 41,81 4,17 10,020,1 41,98 4,13 10,160,2 42,14 3,98 10,59

MKCA-P memiliki nilai modulus young yang lebih kecil bila dibandingkan dengan MKCA-TP. Hal ini dikarenakan dengan adanya penyaringan menyebabkan komposisi MKCA berkurang sehingga MKCA-P memiliki struktur kurang rapat dibandingkan dengan MKCA-TP. Uji Swelling Membran

MKCA 0,2 memiliki kemampuan mengembang lebih kecil dibandingkan MKA, MKCA 0,05, dan MKCA 0,1. Hal ini disebabkan dengan semakin tinggi konsentrasi kalsium klorida maka jarak antar molekul dalam membran akan semakin rapat dan

57

UNESA Journal Of Chemistry Vol. 3 No. 1 January 2014

pori yang terbentuk pada membran akan semakin kecil sehingga air sulit untuk berdifusi ke dalam membran yang menyebabkan kemampuan mengembang kecil.

MKCA-P memiliki kemampuan menyerap air lebih tinggi daripada MKCA-TP. Hal ini dikarenakan dengan adanya penyaringa maka komposisi dari membran berkurang sehingga MKCA-P memiliki lebih banyak ruang kosong, akibatnya pori yang terbentuk menjadi lebih besar dan air akan lebih mudah berdifusi ke dalam membran.Analisis Morfologi Permukaan Membran

Morfologi permukaan MKA, MKCA-P 0,05 dan MKCA-P 0,1 dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Morfologi Permukaan: MKA dengan Perbesaran 10000 kali (a), MKCA-TP dengan Perbesaran 20000 kali (b), dan MKCA-P dengan Perbesaran 30000 kali (c)

Berdasarkan hasil analisis menggunakan SEM dapat diketahui rentang ukuran pori untuk MKA yaitu antara 0,64-1,52 μm, MKCA-P 0,05 antara

0,32-0,60 μm, dan MKCA-P 0,1 antara 0,09-0,10 μm. Menurut ukuran pori membran, MKA dan MKCA-P 0,05 termasuk dalam membran mikrofiltrasi sedangkan MKCA-P 0,1 termasuk dalam membran ultrafiltrasi. Karakteristik membran mikrofiltrasi adalah memiliki ukuran pori antara 0,1-10 μm sedangkan membran ultrafiltrasi memiliki ukuran pori antara 0,005-0,1 μm [3].Analisis Gugus Fungsional

Identifikasi gugus fungsional pada MKA, MKCA-P, dan MKCA-TP menunjukkan adanya vibrasi ulur –OH, vibrasi ulur C=O sym, vibrasi tekuk –NH, vibrasi ulur C=O asym, vibrasi ulur -C-O-, dan vibrasi Na-O.

Gambar 2. Spektra FTIR dari MKA (a), MKCA-TP (b), dan MKCA-P (c)

Pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa setiap senyawa mempunyai karakteristik yang berbeda. Pergeseran serta penurunan, dan kenaikan intensitas serapan dikarenakan adanya interaksi dengan Ca akibat CaCl2 yang ditambahkan.

Data spektra FTIR MKA, MKCA-P, dan MKCA-TP dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Data Spektra FTIR MKA, MKCA-P, dan

MKCA-TPGugus

fungsionalBilangan gelombang (cm-1)

MKA MKCA-P MKCA-TPVibrasi ulur –

OH3435,85 3436,08 3394,91

Vibrasi C-H metilen

2926,32 - -

Vibrasi –NH tekuk

1639,13 1632,97 1624,03Vibrasi ulur-C=O asymVibrasi ulur–C=O sym

1412,21 1419,58 1419,20

Vibrasi ulur-C-O

(C-O dan C-C)1111,94 1116,82

1119,291024,84

58

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

UNESA Journal Of Chemistry Vol. 3 No. 1 January 2014

Vibrasi Na-O 619,11 602,97671,09602,57

Pada MKA, MKCA-TP, dan MKCA-P dimungkinkan terjadi tumpang tindih antara gugus fungsional C=O yang berasal dari alginat dan gugus fungsional N-H yang berasal dari kitosan dengan serapan melebar masing-masing terdapat pada bilangan gelombang 1639,13 cm-1, 1632,97 cm-1, dan 1624,03 cm-1.

Pada MKA terdapat serapan pada bilangan gelombang 2926,32 cm-1 yang menunjukkan adanya gugus C-H pada membran. Serapan ini juga terdapat pada MKCA-TP dan MKCA-P namun tidak terlalu jelas, hal ini dikarenakan serapan pada daerah tersebut tertumpuk oleh serapan gugus –OH yang melebar karena ada interaksi antara gugus -OH dengan Ca.

PENUTUPSimpulan

Pada uji sifat mekanik membran menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi CaCl2 dalam membran, maka nilai modulus young semakin tinggi. Pada uji swelling dihasilkan bahwa semakin tinggi konsentrasi CaCl2 dalam membran maka kemampuan mengembang semakin kecil. MKA dan MKCA-P 0,05 memiliki ukuran pori membran mikrofiltrasi sedangkan MKCA-P 0,1 memiliki ukuran pori membran ultrafiltrasi. Spektra FTIR pada membran menunjukkan adanya pergeseran, kenaikan dan penurunan intensitas untuk serapan pada gugus –OH, C=O, -C-O dan Na-O, terdapat tumpang tindih serapan pada gugus –NH dan C=O serta hilangnya serapan gugus –CH.

DAFTAR PUSTAKA1. Basuki, B. R.. 2009. Sintesis Ikat Silang Kitosan

dengan Glutaraldehid serta Identifikasi Gugus Fungsi dan Derajat Deasetilasinya. Jurnal Ilmu Dasar, Vol. 10 No. 1:93-101.

2. Siregar, Mukhlis. 2009. Pengaruh Berat Molekul Kitosan Nanopartikel Untuk Menurunkan Kadar Logam Besi (Fe) Dan Zat Warna Pada Limbah Industri Tekstil Jeans. Tesis. Medan: Universitas Sumatera Utara.

3. Mulder, M. 1991. Basic Principles of Membran Technology. Netherlands: Khewer Academic Publisher. Google Books hal 545-550.

4. Kaban, J., H. Bangun, A. K. Dawolo, dan Daniel. 2006. Pembuatan Membran Kompleks Polielektrolit Alginat Kitosan. Jurnal Sains Kimia, Vol. 10, No. 1, hal. 10-16.

5. Ariwanda, R.. 2006. Dialisis Larutan Garam Menggunakan Membran Kitosan Termodifikasi Poli(Vinil Alkohol) dengan Poli(Etilena Glikol) sebagai Porogen. Skripsi. Bogor: Institut Pertanian Bogor.

6. Evaani, D. Y.. 2012. Sintesis dan Pemanfaatan Kitosan-Alginat sebagai Membran Ultrafiltrasi Ion K+. UNESA Journal of Chemistry, Vol. 1, No. 2.

7. Dutta, P. K., J. Joydeep, and V. S. Tripathi. 2004. Chitin and Chitosan: Chemistry, properties and Aplication. Journal of Scientific & Industrial Research, Vol. 63: 87-93.

8. Kaban, J.. 2009. Modifukasi Kimia dari Kitosan dan Aplikasi Produk yang Dihasilkan. Medan: Universitas Sumatra Utara.

9. Kaban, J., H. Bangun, Meriaty, dan H. R. Brahmana. 2005. Pembuatan Serta Karakteristik Membran Haemodialisis Melalui Reaksi Antara Alginat Dengan Kalsium Klorida dan Magnesium Klorida. Jurnal Komunikasi Penelitian, Vol. 17, No. 15, hal. 89-97.

10.Angka, S. L. dan M. T. Suharto. 2000. Bioteknologi hasil Laut. Bogor: Pusat Kajian Sumber Daya Pesisir dan Lautan, Institut Pertanian Bogor.

11.Smitha, B., S. Sridhar, dan A.A. Khan. 2005. Chitosan - Sodium Alginat Polyion Complexes as Full Cell Membranes. European Polymer Journal, Vol. 41, Hal. 1859-1866.

12.Silitonga, D. R.. 2009. Pembuatan Membran Kalsium Alginat Kitosan serta Pengujian Permeabilitasnya. Skripsi. Medan: Universitas Sumatra Utara.

59