Karakterisasi Kelistrikan Membran Selulosa Mikrobial Dari Limbah Kulit Pisang Kepok
KARAKTERISASI KELISTRIKAN MEMBRAN SELULOSA
MIKROBIAL DARI LIMBAH KULIT PISANG KEPOK
ARINI EKA SEPTIA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Karakterisasi
Kelistrikan Membran Selulosa Mikrobial dari Limbah Kulit Pisang Kepok adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Arini Eka Septia
NIM G74100030
ABSTRAK
ARINI EKA SEPTIA. Karakterisasi Kelistrikan Membran Selulosa Mikrobial dari
Limbah Kulit Pisang Kepok . Dibimbing oleh JAJANG JUANSAH dan MERSI
KURNIATI.
Membran selulosa mikrobial dapat dihasilkan dari proses fermentasi nata
yang menggunakan limbah kulit pisang kepok. Tujuan penelitian adalah
mengetahui karakteristik listrik membran selulosa mikrobial yang dibuat dari nata
de banana skin dan interaksi membran dengan larutan elektrolit. Parameter yang
diamati adalah impedansi, kapasitansi, reaktansi dan resistansi membran selulosa
yang dihasilkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan frekuensi
menyebabkan nilai impedansi, kapasitansi, resistansi dan reaktansi mengalami
penurunan. Membran fermentasi 8 hari cenderung memiliki nilai ketahanan listrik
yang paling besar. Membran yang diinteraksikan dengan larutan elektrolit
menyebabkan nilai impedansi, reaktansi dan resistansi mengalami penurunan,
sedangkan nilai kapasitansi membran mengalami peningkatan. Impedansi,
reaktansi dan resistansi membran memiliki nilai yang besar setelah berinteraksi
dengan larutan elektrolit konsentrasi rendah. Nilai kapasitansi membran lebih
besar setelah berinteraksi dengan larutan elektrolit yang memiliki konsentrasi
tinggi.
Kata kunci: impedansi, kapasitansi, reaktansi, resistansi, selulosa mikrobial.
ABSTRACT
ARINI EKA SEPTIA. Electrical Characterization of Microbial Cellulose
Membrane from Kepok Banana Skin. Supervised by JAJANG JUANSAH and
MERSI KURNIATI.
Microbial cellulose can be produced from fermentation process of nata that
use kepok banana skin. The aim of this research is aimed to study the electrical
characteristic of microbial cellulose membrane which is made from nata de
banana skin and their interaction with electrolyte solution. The parameters which
observed are impedance, capacitance, resistance and reactance of cellulose
membrane. The result showed that increasing of frequency caused decreasing
impedance, capacitance, reactance and resistance. Membrane of 8 days
fermentation tend to have the highest electrical resistance. Membrane which was
interacted with electrolyte solution caused decreasing impedance, reactance and
resistance of membrane, while capacitance of membrane is increased. The
impedance, reactance and resistance of membrane are high after interaction with
electrolyte solution which have low concentration. Capacitance of membrane is
the highest after interaction with electrolyte solution which have high
concentration.
Keywords: capacitance, impedance, microbial cellulose, reactance, resistance.
KARAKTERISASI KELISTRIKAN MEMBRAN SELULOSA
MIKROBIAL DARI LIMBAH KULIT PISANG KEPOK
ARINI EKA SEPTIA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fiska
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PRAKATA
Bismillahirrahmanirrahim…
Alhamdulillah, segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah
subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil
diselesaikan. Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Maret 2014 sampai bulan
Maret 2015 di Laboratorium Biofisika Membran dengan judul “Karakterisasi
Kelistrikan Membran Selulosa Mikrobial dari Limbah Kulit Pisang Kepok”.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Jajang Juansah MSi dan Ibu
Dr Mersi Kurniati MSi selaku pembimbing, serta Bapak Tony Sumaryada PhD
yang telah banyak memberi bimbingan, kritik dan sarannya selama proses
penelitian maupun penyusunan karya ilmiah ini. Ungkapan terima kasih juga
disampaikan kepada ayah, ibu, adik-adikku yang tersayang (Arina dan Anisa)
serta seluruh keluarga, atas segala doa, dukungan, semangat, bantuan materi, dan
kasih sayangnya. Penulis juga ingin mengucapkan terima kasih banyak kepada
teman-teman Fisika 47, Lilis, Tiara, Sinta, Lia, Tia, Lutfi, Tanty, Nofi, Mba Eni,
teman-teman Pondok Delima (Arina, Fifa, Azizah, Rahma, Nofi, Ka Seli),
saudara-saudari Chlorophyl 47, serta sahabat-sahabat lain yang secara langsung
maupun tidak langsung telah mendukung dan membantu penulis dalam
penyelesaian penelitian ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2015
Arini Eka Septia
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Pisang Kepok
2
Selulosa Mikrobial
3
Membran
3
Larutan Elektrolit
4
Karakteristik Sifat Listrik
4
METODE
7
Waktu dan Tempat Penelitian
7
Bahan dan Alat
7
Metode Penelitian
7
Pembuatan Membran Selulosa dari Limbah Kulit Pisang Kepok
7
Karakterisasi Sifat Kelistrikan Membran Selulosa
8
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Listrik Membran Selulosa Mikrobial
9
9
Karakteristik Impedansi Membran
9
Karakteristik Kapasitansi Membran
15
Karakteristik Reaktansi Membran
21
Karakteristik Resistansi Membran
26
SIMPULAN DAN SARAN
32
Simpulan
32
Saran
32
DAFTAR PUSTAKA
33
LAMPIRAN
34
RIWAYAT HIDUP
71
DAFTAR TABEL
1
Perbandingan Sifat-Sifat Larutan Elektrolit dan Larutan Non Elektrolit
4
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Model rangkaian elektronika untuk membran
Grafik spektrum kapasitif dan model elektronik untuk membran
Skema pengukuran sifat listrik dengan LCRmeter
Skema pengujian interaksi membran selulosa dengan larutan elektrolit
yang mengandung ion logam
Hubungan antara frekuensi dan impedansi membran sebelum interaksi
dengan larutan NaCl (a,b,c,d) dan MgCl2 (e,f,g,h) untuk variasi hari
fermentasi nata
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan impedansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan NaCl 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan impedansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan MgCl2 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan impedansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan NaCl
Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan impedansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan MgCl2
Hubungan frekuensi dan kapasitansi membran sebelum interaksi
dengan larutan NaCl (a,b,c,d) dan MgCl2 (e,f,g,h) untuk variasi hari
fermentasi
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan kapasitansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan NaCl 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan kapasitansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan MgCl2 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan kapasitansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan NaCl
Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan kapasitansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan MgCl2
Hubungan frekuensi dan reaktansi membran sebelum interaksi dengan
larutan NaCl (a,b,c,d) dan MgCl2 (e,f,g,h) variasi hari fermentasi nata
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan reaktansi setelah
membran berinteraksi dengan larutan NaCl 1 M (a), 0.5 M 9 (b), 0.1 M
(c) dan 0.05 M (d)
5
6
8
9
10
11
12
13
14
16
17
18
19
20
21
23
17 Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan reaktansi setelah
membran berinteraksi dengan larutan MgCl2 1 M (a), 0.5 M (b), 0.1 M
(c) dan 0.05 M (d)
18 Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan reaktansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari 9 (d)
berinteraksi dengan larutan NaCl
19 Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan reaktansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan MgCl2
20 Hubungan frekuensi dan resistansi membran sebelum interaksi dengan
larutan NaCl (a,b,c,d) dan MgCl2 (e,f,g,h) untuk variasi hari fermentasi
21 Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan resistansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan NaCl 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 (d)
22 Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan resistansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan MgCl2 1 M (a), 0.5 (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
23 Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan resistansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan NaCl
24 Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan resistansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan MgCl2
24
25
26
27
28
29
30
31
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Diagram pembuatan membran
Diagram tahap-tahap penelitian
Alat dan bahan penelitian
Impedansi membran sebelum interaksi dengan larutan NaCl
Impedansi membran sebelum interaksi dengan larutan MgCl2
Kapasitansi membran sebelum interaksi dengan larutan NaCl
Kapasitansi membran sebelum interaksi dengan larutan MgCl2
Reaktansi membran sebelum interaksi dengan larutan NaCl
Reaktansi membran sebelum interaksi dengan larutan MgCl2
Resistansi membran sebelum interaksi dengan larutan NaCl
Resistansi membran sebelum interaksi dengan larutan MgCl2
Impedansi membran setelah interaksi dengan NaCl dalam pengaruh hari
fermentasi nata
13 Impedansi membran setelah interaksi dengan MgCl2 dalam pengaruh
hari fermentasi nata
14 Kapasitansi membran setelah interaksi dengan larutan NaCl dalam
pengaruh hari fermentasi nata
15 Kapasitansi membran setelah interaksi dengan larutan MgCl2 dalam
pengaruh hari fermentasi nata
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
16 Reaktansi membran setelah interaksi dengan larutan NaCl dalam
pengaruh hari fermentasi nata
17 Reaktansi membran setelah interaksi dengan larutan MgCl2 dalam
pengaruh hari fermentasi nata
18 Resistansi membran setelah interaksi dengan larutan NaCl dalam
pengaruh hari fermentasi nata
19 Resistansi membran setelah interaksi dengan larutan MgCl2 dalam
pengaruh hari fermentasi nata
20 Impedansi membran 6 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
21 Impedansi membran 8 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
22 Impedansi membran 10 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
23 Impedansi membran 12 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
24 Kapasitansi membran 6 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
25 Kapasitansi membran 8 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
26 Kapasitansi membran 10 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
27 Kapasitansi membran 12 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
28 Reaktansi membran 6 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
29 Reaktansi membran 8 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
30 Reaktansi membran 10 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
31 Reaktansi membran 12 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
32 Resistansi membran 6 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
33 Resistansi membran 8 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
34 Resistansi membran 10 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
35 Resistansi membran 12 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Teknologi membran yang ramah lingkungan dan hemat energi semakin
populer dimanfaatkan sebagai material pendukung kebutuhan industri dan riset.
Pemanfaatan membran tidak terbatas hanya sebagai membran filtrasi namun telah
diperluas dalam berbagai bidang terutama bidang elektronika. Kemajuan
teknologi telah mendorong peneliti untuk menemukan dan menghasilkan bahan
potensial membran lainnya. Salah satunya adalah membran selulosa mikrobial.
Selulosa mikrobial merupakan selulosa yang dihasilkan oleh
mikroorganisme seperti Gluconacetobacter, terutama Acetobacter. Rumus
molekular selulosa mikrobial (C6H10O5)n hampir sama dengan selulosa tumbuhan
namun karakteristik fisik dan kimianya berbeda. Selulosa mikrobial memiliki sifat
yang lebih unggul dibandingkan selulosa tumbuhan. Selulosa mikrobial memiliki
kemurnian, derajat polimerisasi dan indeks kristalinitas yang tinggi.1 Selulosa
yang dihasilkan Acetobacter bersifat sangat hidrofilik, karakteristik mekanik yang
unggul dalam keadaan basah maupun kering. Struktur selulosa mikrobial
berbentuk anyaman halus yang unik dan kuat serta dapat diproduksi dari berbagai
macam substrat yang relatif murah. 2 Proses pembentukan selulosa mikrobial oleh
Acetobacter memerlukan media yang mengandung glukosa.
Glukosa dapat diperoleh dari berbagai sumber bahan alam yang belum
dimanfaatkan. Salah satunya adalah kulit pisang kepok. Kulit pisang kepok
merupakan salah satu limbah alami yang masih jarang dimanfaatkan oleh
masyarakat. Limbahnya yang melimpah dapat mencemari lingkungan dan
meningkatkan keasaman tanah.3 Kulit pisang kepok mengandung karbohidrat
sebesar 18,5% yang terdiri dari komponen monosakarida terutama glukosa
sebesar 8,16 %.4 Kandungan glukosa yang terkandung di dalam kulit pisang kepok
berpotensi dimanfaatkan sebagai media pertumbuhan bakteri pembentuk nata.
Nata de banana skin merupakan salah satu modifikasi produk fermentasi
nata yang memanfaatkan ekstrak limbah kulit pisang. Fermentasi nata de banana
skin dilakukan oleh Acetobacter xylinum yang mengubah glukosa menjadi
selulosa. Kandungan utama nata de banana skin adalah selulosa yang termasuk
jenis selulosa mikrobial. Keunggulan selulosa mikrobial antara lain memiliki
kemurnian tinggi, derajat kristalinitas tinggi, mempunyai kerapatan berkisar 300
hingga 900 kg m-3, kekuatan tarik tinggi, elastis dan bersifat biodegradable.5
Penelitian yang mengembangkan selulosa mikrobial sebagai material yang
bernilai tambah telah banyak dilakukan, terutama sebagai membran pengikat
logam-logam berat dan material biosensor. Hasil penelitian Sulistiyana et al.
(2010) menyatakan bahwa selulosa mikrobial nata de coco dapat mengabsorpsi
kation Ca dan Mg. Penelitian Nurul Asni (2006) menunjukkan bahwa selulosa
mikrobial dari limbah tahu dapat dimanfaatkan sebagai semikonduktor. Berbagai
kajian selulosa mikrobial dari berbagai jenis nata telah memperlihatkan
potensinya sebagai material elektronika. Studi pemanfaatan membran selulosa
mikrobial dari nata de banana skin masih terbatas. Hasil penelitian Siswarni
(2007) menyatakan bahwa pemanfaatan membran selulosa nata de banana skin
sebagai membran ultrafiltrasi. Penelitian ini dilakukan untuk mengkaji
2
karakteristik listrik membran selulosa mikrobial dari limbah kulit pisang kepok.
Karakteristik listrik yang diuji adalah impedansi, kapasitansi, resistansi, dan
reaktansi listrik. Pencirian ikatan antara selulosa membran dan logam dilihat dari
perubahan sifat listrik membran menggunakan metode spektroskopi impedansi
dalam variasi frekuensi.
Perumusan Masalah
1. Bagaimana karakteristik sifat listrik membran selulosa mikrobial dari kulit
pisang kepok?
2. Apakah terjadi perubahan sifat listrik membran sebelum dan setelah diuji
dengan larutan NaCl dan MgCl2 ?
Tujuan Penelitian
1.
2.
Penelitian ini bertujuan untuk :
Melakukan sintesis membran selulosa dari kulit pisang kepok
Mengetahui karakteristik listrik membran selulosa mikrobial dari kulit pisang
kepok sebelum dan setelah diuji dengan larutan NaCl dan MgCl2
TINJAUAN PUSTAKA
Pisang Kepok
Pisang kepok dengan nama latin Musa acuminate L. dapat menjadi salah
satu produk pertanian yang prospektif untuk dikembangkan karena dapat tumbuh
di sembarang tempat sehingga produksi buahnya selalu tersedia. Pisang kepok
memiliki kulit buah yang kuning kemerahan dengan bintik- bintik coklat.
Produksi Pisang Kepok dapat mencapai 40 ton/ha.6
Penyebaran tanaman pisang hampir merata ke seluruh dunia, yakni
meliputi daerah tropik dan subtropik, dimulai dari Asia Tenggara ke Timur
melalui Lautan Teduh sampai ke Hawai. Selain itu, tanaman pisang juga
menyebar ke barat melalui Samudera Atlantik, Kepulauan Kanari, sampai Benua
Amerika. Pisang yang paling dikenal saat ini merupakan keturunan dari spesies
pisang liar yaitu Musa acuminata dan Musa balbisiana. Pisang Kepok memiliki
tinggi sekitar 370 cm dengan umur berbunga 13 bulan. Batangnya berdiameter 31
cm dengan panjang daun 258 cm dan lebar daun 90 cm, sedangkan warna daun
serta tulang daun hijau tua. Bentuk jantung spherical atau lanset. Bentuk buah
lurus dengan panjang buah 14 cm dan diameter buah 3.46 cm. Warna kulit dan
daging buah matang kuning tua. Kulit pisang mengandung zat pektin yang terdiri
dari asam galakturonik. Asam galakturonik dapat mengikat ion logam. Muatan
negatif pada asam galakturonik, mengikat ion positif logam yang terdapat di
dalam air, sehingga unsur pencemar dalam air dapat hilang. Kulit pisang juga
mengandung selulosa yang memiliki kemampuan mengikat logam, dengan
menggunakan metode absorpsik.7
3
Selulosa Mikrobial
Nata merupakan selulosa hasil fermentasi mikroorganisme seperti
Acetobacter xylinum, yang biasa disebut selulosa mikrobial. Acetobacter xylinum
merupakan bakteri gram negatif, aerobik, berbentuk batang, tidak membentuk
spora, dan non motil. Mikroba ini dapat mengubah 19% gula menjadi selulosa
jika ditumbuhkan dalam media yang mengandung gula. Selulosa yang terbentuk
di dalam media tersebut berupa benang-benang yang terus terjalin menjadi lapisan
nata. Acetobacter xylinum memiliki sifat sensitif terhadap perubahan sifat
fisik dan kimia lingkungan sehingga dapat mempengaruhi proses pembentukan
nata. Pertumbuhan Acetobacter xylinum dalam membentuk nata dipengaruhi oleh
pH, suhu, sumber nitrogen dan oksigen dalam media serta wadah fermentasi.
Selulosa mikrobial mempunyai struktur kimia yang sama seperti selulosa
yang berasal dari tumbuhan. Selulosa ini berbentuk polisakarida berantai lurus
yang tersusun oleh molekul D-glukosa melalui ikatan β-1,4. Struktur tersebut
memungkinkan selulosa mikrobial digunakan sebagai material absorben yang
dapat berikatan dengan ion logam atau logam berat. 8
Bahan yang mengandung selulosa biasanya berbentuk struktur kristalin,
sehingga air tidak dapat masuk ke dalam daerah aktif kristalin pada suhu kamar. 9
Selulosa mikrobial mengandung dua struktur kristalin yaitu selulosa α (triklinik)
dan selulosa β (monoklinik). Selulosa α adalah satu unit sel triklinat mengandung
satu rantai selulosa yang mengandung selulosa 60%, sedangkan selulosa β adalah
satu unit sel monoklinat mengandung dua rantai selulosa. 10
Selulosa mikrobial dapat dibuat dalam bentuk lembran dengan
mengeringkannya di udara. Mengeringkan selulosa sampai kadar air kurang dari
1 % membutuhkan biaya yang besar, tetapi gugus OH dalam air lebih reaktif
daripada gugus OH yang terdapat pada komponen lignoselulosa, sehingga
hidrolisis berlangsung lebih cepat daripada substitusi. Suhu (
MIKROBIAL DARI LIMBAH KULIT PISANG KEPOK
ARINI EKA SEPTIA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Karakterisasi
Kelistrikan Membran Selulosa Mikrobial dari Limbah Kulit Pisang Kepok adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Arini Eka Septia
NIM G74100030
ABSTRAK
ARINI EKA SEPTIA. Karakterisasi Kelistrikan Membran Selulosa Mikrobial dari
Limbah Kulit Pisang Kepok . Dibimbing oleh JAJANG JUANSAH dan MERSI
KURNIATI.
Membran selulosa mikrobial dapat dihasilkan dari proses fermentasi nata
yang menggunakan limbah kulit pisang kepok. Tujuan penelitian adalah
mengetahui karakteristik listrik membran selulosa mikrobial yang dibuat dari nata
de banana skin dan interaksi membran dengan larutan elektrolit. Parameter yang
diamati adalah impedansi, kapasitansi, reaktansi dan resistansi membran selulosa
yang dihasilkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan frekuensi
menyebabkan nilai impedansi, kapasitansi, resistansi dan reaktansi mengalami
penurunan. Membran fermentasi 8 hari cenderung memiliki nilai ketahanan listrik
yang paling besar. Membran yang diinteraksikan dengan larutan elektrolit
menyebabkan nilai impedansi, reaktansi dan resistansi mengalami penurunan,
sedangkan nilai kapasitansi membran mengalami peningkatan. Impedansi,
reaktansi dan resistansi membran memiliki nilai yang besar setelah berinteraksi
dengan larutan elektrolit konsentrasi rendah. Nilai kapasitansi membran lebih
besar setelah berinteraksi dengan larutan elektrolit yang memiliki konsentrasi
tinggi.
Kata kunci: impedansi, kapasitansi, reaktansi, resistansi, selulosa mikrobial.
ABSTRACT
ARINI EKA SEPTIA. Electrical Characterization of Microbial Cellulose
Membrane from Kepok Banana Skin. Supervised by JAJANG JUANSAH and
MERSI KURNIATI.
Microbial cellulose can be produced from fermentation process of nata that
use kepok banana skin. The aim of this research is aimed to study the electrical
characteristic of microbial cellulose membrane which is made from nata de
banana skin and their interaction with electrolyte solution. The parameters which
observed are impedance, capacitance, resistance and reactance of cellulose
membrane. The result showed that increasing of frequency caused decreasing
impedance, capacitance, reactance and resistance. Membrane of 8 days
fermentation tend to have the highest electrical resistance. Membrane which was
interacted with electrolyte solution caused decreasing impedance, reactance and
resistance of membrane, while capacitance of membrane is increased. The
impedance, reactance and resistance of membrane are high after interaction with
electrolyte solution which have low concentration. Capacitance of membrane is
the highest after interaction with electrolyte solution which have high
concentration.
Keywords: capacitance, impedance, microbial cellulose, reactance, resistance.
KARAKTERISASI KELISTRIKAN MEMBRAN SELULOSA
MIKROBIAL DARI LIMBAH KULIT PISANG KEPOK
ARINI EKA SEPTIA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fiska
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PRAKATA
Bismillahirrahmanirrahim…
Alhamdulillah, segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah
subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil
diselesaikan. Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Maret 2014 sampai bulan
Maret 2015 di Laboratorium Biofisika Membran dengan judul “Karakterisasi
Kelistrikan Membran Selulosa Mikrobial dari Limbah Kulit Pisang Kepok”.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Jajang Juansah MSi dan Ibu
Dr Mersi Kurniati MSi selaku pembimbing, serta Bapak Tony Sumaryada PhD
yang telah banyak memberi bimbingan, kritik dan sarannya selama proses
penelitian maupun penyusunan karya ilmiah ini. Ungkapan terima kasih juga
disampaikan kepada ayah, ibu, adik-adikku yang tersayang (Arina dan Anisa)
serta seluruh keluarga, atas segala doa, dukungan, semangat, bantuan materi, dan
kasih sayangnya. Penulis juga ingin mengucapkan terima kasih banyak kepada
teman-teman Fisika 47, Lilis, Tiara, Sinta, Lia, Tia, Lutfi, Tanty, Nofi, Mba Eni,
teman-teman Pondok Delima (Arina, Fifa, Azizah, Rahma, Nofi, Ka Seli),
saudara-saudari Chlorophyl 47, serta sahabat-sahabat lain yang secara langsung
maupun tidak langsung telah mendukung dan membantu penulis dalam
penyelesaian penelitian ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2015
Arini Eka Septia
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Pisang Kepok
2
Selulosa Mikrobial
3
Membran
3
Larutan Elektrolit
4
Karakteristik Sifat Listrik
4
METODE
7
Waktu dan Tempat Penelitian
7
Bahan dan Alat
7
Metode Penelitian
7
Pembuatan Membran Selulosa dari Limbah Kulit Pisang Kepok
7
Karakterisasi Sifat Kelistrikan Membran Selulosa
8
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Listrik Membran Selulosa Mikrobial
9
9
Karakteristik Impedansi Membran
9
Karakteristik Kapasitansi Membran
15
Karakteristik Reaktansi Membran
21
Karakteristik Resistansi Membran
26
SIMPULAN DAN SARAN
32
Simpulan
32
Saran
32
DAFTAR PUSTAKA
33
LAMPIRAN
34
RIWAYAT HIDUP
71
DAFTAR TABEL
1
Perbandingan Sifat-Sifat Larutan Elektrolit dan Larutan Non Elektrolit
4
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Model rangkaian elektronika untuk membran
Grafik spektrum kapasitif dan model elektronik untuk membran
Skema pengukuran sifat listrik dengan LCRmeter
Skema pengujian interaksi membran selulosa dengan larutan elektrolit
yang mengandung ion logam
Hubungan antara frekuensi dan impedansi membran sebelum interaksi
dengan larutan NaCl (a,b,c,d) dan MgCl2 (e,f,g,h) untuk variasi hari
fermentasi nata
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan impedansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan NaCl 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan impedansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan MgCl2 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan impedansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan NaCl
Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan impedansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan MgCl2
Hubungan frekuensi dan kapasitansi membran sebelum interaksi
dengan larutan NaCl (a,b,c,d) dan MgCl2 (e,f,g,h) untuk variasi hari
fermentasi
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan kapasitansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan NaCl 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan kapasitansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan MgCl2 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan kapasitansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan NaCl
Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan kapasitansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan MgCl2
Hubungan frekuensi dan reaktansi membran sebelum interaksi dengan
larutan NaCl (a,b,c,d) dan MgCl2 (e,f,g,h) variasi hari fermentasi nata
Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan reaktansi setelah
membran berinteraksi dengan larutan NaCl 1 M (a), 0.5 M 9 (b), 0.1 M
(c) dan 0.05 M (d)
5
6
8
9
10
11
12
13
14
16
17
18
19
20
21
23
17 Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan reaktansi setelah
membran berinteraksi dengan larutan MgCl2 1 M (a), 0.5 M (b), 0.1 M
(c) dan 0.05 M (d)
18 Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan reaktansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari 9 (d)
berinteraksi dengan larutan NaCl
19 Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan reaktansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan MgCl2
20 Hubungan frekuensi dan resistansi membran sebelum interaksi dengan
larutan NaCl (a,b,c,d) dan MgCl2 (e,f,g,h) untuk variasi hari fermentasi
21 Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan resistansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan NaCl 1 M (a), 0.5 M (b),
0.1 M (c) dan 0.05 (d)
22 Pengaruh hari fermentasi pada hubungan frekuensi dan resistansi
setelah membran berinteraksi dengan larutan MgCl2 1 M (a), 0.5 (b),
0.1 M (c) dan 0.05 M (d)
23 Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan resistansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan NaCl
24 Pengaruh variasi konsentrasi pada hubungan frekuensi dan resistansi
setelah membran 6 hari (a), 8 hari (b), 10 hari (c) dan 12 hari (d)
berinteraksi dengan larutan MgCl2
24
25
26
27
28
29
30
31
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Diagram pembuatan membran
Diagram tahap-tahap penelitian
Alat dan bahan penelitian
Impedansi membran sebelum interaksi dengan larutan NaCl
Impedansi membran sebelum interaksi dengan larutan MgCl2
Kapasitansi membran sebelum interaksi dengan larutan NaCl
Kapasitansi membran sebelum interaksi dengan larutan MgCl2
Reaktansi membran sebelum interaksi dengan larutan NaCl
Reaktansi membran sebelum interaksi dengan larutan MgCl2
Resistansi membran sebelum interaksi dengan larutan NaCl
Resistansi membran sebelum interaksi dengan larutan MgCl2
Impedansi membran setelah interaksi dengan NaCl dalam pengaruh hari
fermentasi nata
13 Impedansi membran setelah interaksi dengan MgCl2 dalam pengaruh
hari fermentasi nata
14 Kapasitansi membran setelah interaksi dengan larutan NaCl dalam
pengaruh hari fermentasi nata
15 Kapasitansi membran setelah interaksi dengan larutan MgCl2 dalam
pengaruh hari fermentasi nata
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
16 Reaktansi membran setelah interaksi dengan larutan NaCl dalam
pengaruh hari fermentasi nata
17 Reaktansi membran setelah interaksi dengan larutan MgCl2 dalam
pengaruh hari fermentasi nata
18 Resistansi membran setelah interaksi dengan larutan NaCl dalam
pengaruh hari fermentasi nata
19 Resistansi membran setelah interaksi dengan larutan MgCl2 dalam
pengaruh hari fermentasi nata
20 Impedansi membran 6 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
21 Impedansi membran 8 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
22 Impedansi membran 10 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
23 Impedansi membran 12 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
24 Kapasitansi membran 6 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
25 Kapasitansi membran 8 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
26 Kapasitansi membran 10 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
27 Kapasitansi membran 12 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
28 Reaktansi membran 6 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
29 Reaktansi membran 8 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
30 Reaktansi membran 10 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
31 Reaktansi membran 12 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
32 Resistansi membran 6 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
33 Resistansi membran 8 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
34 Resistansi membran 10 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
35 Resistansi membran 12 hari setelah interaksi dengan larutan elektrolit
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Teknologi membran yang ramah lingkungan dan hemat energi semakin
populer dimanfaatkan sebagai material pendukung kebutuhan industri dan riset.
Pemanfaatan membran tidak terbatas hanya sebagai membran filtrasi namun telah
diperluas dalam berbagai bidang terutama bidang elektronika. Kemajuan
teknologi telah mendorong peneliti untuk menemukan dan menghasilkan bahan
potensial membran lainnya. Salah satunya adalah membran selulosa mikrobial.
Selulosa mikrobial merupakan selulosa yang dihasilkan oleh
mikroorganisme seperti Gluconacetobacter, terutama Acetobacter. Rumus
molekular selulosa mikrobial (C6H10O5)n hampir sama dengan selulosa tumbuhan
namun karakteristik fisik dan kimianya berbeda. Selulosa mikrobial memiliki sifat
yang lebih unggul dibandingkan selulosa tumbuhan. Selulosa mikrobial memiliki
kemurnian, derajat polimerisasi dan indeks kristalinitas yang tinggi.1 Selulosa
yang dihasilkan Acetobacter bersifat sangat hidrofilik, karakteristik mekanik yang
unggul dalam keadaan basah maupun kering. Struktur selulosa mikrobial
berbentuk anyaman halus yang unik dan kuat serta dapat diproduksi dari berbagai
macam substrat yang relatif murah. 2 Proses pembentukan selulosa mikrobial oleh
Acetobacter memerlukan media yang mengandung glukosa.
Glukosa dapat diperoleh dari berbagai sumber bahan alam yang belum
dimanfaatkan. Salah satunya adalah kulit pisang kepok. Kulit pisang kepok
merupakan salah satu limbah alami yang masih jarang dimanfaatkan oleh
masyarakat. Limbahnya yang melimpah dapat mencemari lingkungan dan
meningkatkan keasaman tanah.3 Kulit pisang kepok mengandung karbohidrat
sebesar 18,5% yang terdiri dari komponen monosakarida terutama glukosa
sebesar 8,16 %.4 Kandungan glukosa yang terkandung di dalam kulit pisang kepok
berpotensi dimanfaatkan sebagai media pertumbuhan bakteri pembentuk nata.
Nata de banana skin merupakan salah satu modifikasi produk fermentasi
nata yang memanfaatkan ekstrak limbah kulit pisang. Fermentasi nata de banana
skin dilakukan oleh Acetobacter xylinum yang mengubah glukosa menjadi
selulosa. Kandungan utama nata de banana skin adalah selulosa yang termasuk
jenis selulosa mikrobial. Keunggulan selulosa mikrobial antara lain memiliki
kemurnian tinggi, derajat kristalinitas tinggi, mempunyai kerapatan berkisar 300
hingga 900 kg m-3, kekuatan tarik tinggi, elastis dan bersifat biodegradable.5
Penelitian yang mengembangkan selulosa mikrobial sebagai material yang
bernilai tambah telah banyak dilakukan, terutama sebagai membran pengikat
logam-logam berat dan material biosensor. Hasil penelitian Sulistiyana et al.
(2010) menyatakan bahwa selulosa mikrobial nata de coco dapat mengabsorpsi
kation Ca dan Mg. Penelitian Nurul Asni (2006) menunjukkan bahwa selulosa
mikrobial dari limbah tahu dapat dimanfaatkan sebagai semikonduktor. Berbagai
kajian selulosa mikrobial dari berbagai jenis nata telah memperlihatkan
potensinya sebagai material elektronika. Studi pemanfaatan membran selulosa
mikrobial dari nata de banana skin masih terbatas. Hasil penelitian Siswarni
(2007) menyatakan bahwa pemanfaatan membran selulosa nata de banana skin
sebagai membran ultrafiltrasi. Penelitian ini dilakukan untuk mengkaji
2
karakteristik listrik membran selulosa mikrobial dari limbah kulit pisang kepok.
Karakteristik listrik yang diuji adalah impedansi, kapasitansi, resistansi, dan
reaktansi listrik. Pencirian ikatan antara selulosa membran dan logam dilihat dari
perubahan sifat listrik membran menggunakan metode spektroskopi impedansi
dalam variasi frekuensi.
Perumusan Masalah
1. Bagaimana karakteristik sifat listrik membran selulosa mikrobial dari kulit
pisang kepok?
2. Apakah terjadi perubahan sifat listrik membran sebelum dan setelah diuji
dengan larutan NaCl dan MgCl2 ?
Tujuan Penelitian
1.
2.
Penelitian ini bertujuan untuk :
Melakukan sintesis membran selulosa dari kulit pisang kepok
Mengetahui karakteristik listrik membran selulosa mikrobial dari kulit pisang
kepok sebelum dan setelah diuji dengan larutan NaCl dan MgCl2
TINJAUAN PUSTAKA
Pisang Kepok
Pisang kepok dengan nama latin Musa acuminate L. dapat menjadi salah
satu produk pertanian yang prospektif untuk dikembangkan karena dapat tumbuh
di sembarang tempat sehingga produksi buahnya selalu tersedia. Pisang kepok
memiliki kulit buah yang kuning kemerahan dengan bintik- bintik coklat.
Produksi Pisang Kepok dapat mencapai 40 ton/ha.6
Penyebaran tanaman pisang hampir merata ke seluruh dunia, yakni
meliputi daerah tropik dan subtropik, dimulai dari Asia Tenggara ke Timur
melalui Lautan Teduh sampai ke Hawai. Selain itu, tanaman pisang juga
menyebar ke barat melalui Samudera Atlantik, Kepulauan Kanari, sampai Benua
Amerika. Pisang yang paling dikenal saat ini merupakan keturunan dari spesies
pisang liar yaitu Musa acuminata dan Musa balbisiana. Pisang Kepok memiliki
tinggi sekitar 370 cm dengan umur berbunga 13 bulan. Batangnya berdiameter 31
cm dengan panjang daun 258 cm dan lebar daun 90 cm, sedangkan warna daun
serta tulang daun hijau tua. Bentuk jantung spherical atau lanset. Bentuk buah
lurus dengan panjang buah 14 cm dan diameter buah 3.46 cm. Warna kulit dan
daging buah matang kuning tua. Kulit pisang mengandung zat pektin yang terdiri
dari asam galakturonik. Asam galakturonik dapat mengikat ion logam. Muatan
negatif pada asam galakturonik, mengikat ion positif logam yang terdapat di
dalam air, sehingga unsur pencemar dalam air dapat hilang. Kulit pisang juga
mengandung selulosa yang memiliki kemampuan mengikat logam, dengan
menggunakan metode absorpsik.7
3
Selulosa Mikrobial
Nata merupakan selulosa hasil fermentasi mikroorganisme seperti
Acetobacter xylinum, yang biasa disebut selulosa mikrobial. Acetobacter xylinum
merupakan bakteri gram negatif, aerobik, berbentuk batang, tidak membentuk
spora, dan non motil. Mikroba ini dapat mengubah 19% gula menjadi selulosa
jika ditumbuhkan dalam media yang mengandung gula. Selulosa yang terbentuk
di dalam media tersebut berupa benang-benang yang terus terjalin menjadi lapisan
nata. Acetobacter xylinum memiliki sifat sensitif terhadap perubahan sifat
fisik dan kimia lingkungan sehingga dapat mempengaruhi proses pembentukan
nata. Pertumbuhan Acetobacter xylinum dalam membentuk nata dipengaruhi oleh
pH, suhu, sumber nitrogen dan oksigen dalam media serta wadah fermentasi.
Selulosa mikrobial mempunyai struktur kimia yang sama seperti selulosa
yang berasal dari tumbuhan. Selulosa ini berbentuk polisakarida berantai lurus
yang tersusun oleh molekul D-glukosa melalui ikatan β-1,4. Struktur tersebut
memungkinkan selulosa mikrobial digunakan sebagai material absorben yang
dapat berikatan dengan ion logam atau logam berat. 8
Bahan yang mengandung selulosa biasanya berbentuk struktur kristalin,
sehingga air tidak dapat masuk ke dalam daerah aktif kristalin pada suhu kamar. 9
Selulosa mikrobial mengandung dua struktur kristalin yaitu selulosa α (triklinik)
dan selulosa β (monoklinik). Selulosa α adalah satu unit sel triklinat mengandung
satu rantai selulosa yang mengandung selulosa 60%, sedangkan selulosa β adalah
satu unit sel monoklinat mengandung dua rantai selulosa. 10
Selulosa mikrobial dapat dibuat dalam bentuk lembran dengan
mengeringkannya di udara. Mengeringkan selulosa sampai kadar air kurang dari
1 % membutuhkan biaya yang besar, tetapi gugus OH dalam air lebih reaktif
daripada gugus OH yang terdapat pada komponen lignoselulosa, sehingga
hidrolisis berlangsung lebih cepat daripada substitusi. Suhu (