Optimalisasi sintesis dan kajian adsorpsi gel kitosan-alginat terhadap[ ion Cu(II)
OPTIMALISASI SINTESIS DAN KAJIAN ADSORPSI GEL
KITOSAN-ALGINAT TERHADAP ION Cu(II)
DWI WAHYONO
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
ABSTRAK
DWI WAHYONO. Optimalisasi Sintesis dan Kajian Adsorpsi Gel Kitosan-Alginat
Terhadap Ion Cu(II). Dibimbing oleh PURWANTININGSIH SUGITA dan AHMAD
SJAHRIZA.
Limbah kulit udang dapat dimanfaatkan untuk membuat kitosan. Sifat reologi
kitosan diperbaiki dalam bentuk gel dengan penambahan glutaraldehida dan hidrokoloid
alami, seperti alginat. Sifat reologi gel yang diukur adalah kekuatan, titik pecah,
ketegaran, pembengkakan, dan pengerutan gel, sedangkan parameter kitosan yang diukur
ialah kadar air, kadar abu, derajat deasetilasi (DD), dan bobot molekul (BM). Pembuatan
gel dilakukan dengan mencampurkan larutan kitosan 2.50% (b/v), glutaraldehida 4.00,
5.00, dan 6.00% (v/v), serta alginat 0.00, 0.75, dan 1.00% (b/v). Berdasarkan analisis
proksimat, kitosan memiliki kadar air 5.89%, kadar abu 0.15%, DD 73.61%, dan BM
4.30 × 105 g mol-1.
Kondisi gel optimum untuk menjerap logam terjadi pada konsentrasi glutaraldehida
4.00% dan alginat 0.83% yang memberikan kekuatan, titik pecah, ketegaran, sifat
pembengkakan, dan pengerutan gel berturut-turut 881.4385 g cm-2, 1.0267 cm, 8.5179 g
cm-1, 4.5313 g, dan 1.6280 g. Spektrum fourier transform infrared gel kitosanglutaraldehida, dan gel kitosan-glutaraldehida-alginat menunjukkan puncak serapan
spesifik pada 1563 cm-1 yang diduga sebagai gugus imina yang tidak terdapat pada
spektrum kitosan. Kajian adsorpsi gel kitosan-alginat terhadap ion Cu(II) dengan
konsentrasi 500 dan 1000 ppm dilakukan pada kondisi pH 3 dan 6. Kapasitas adsorpsi ion
Cu(II) paling besar pada kondisi pH 6 dan konsentrasi logam 1000 ppm. Tetapan
persamaan isoterm Langmuir adalah k1 = 6.42 × 10-3 ± 8.87 × 10-4 dan k2 = 1.18 × 10-3 ±
3.88 × 10-4, dengan nilai linearitas 97.57%. Tetapan persamaan isoterm Freundlich adalah
k = 2.94 × 10-2 ± 1.61 × 10-2 dan 1/n = 1.48 ± 0.19, dengan nilai linearitas 96.18%.
ABSTRACT
DWI WAHYONO. Synthesis Optimization and Adsorption Study of Chitosan-Alginate
Gel toward Cu(II) Ion. Supervised by PURWANTININGSIH SUGITA and AHMAD
SJAHRIZA.
Shrimp shell can be used to make chitosan. Rheological properties of chitosan
were improved by gelation using glutaraldehyde and alginate. Rheological properties of
gel measured were strength, break point, rigidity, swelling, and shrinking, while chitosan
parameters measured were moisture content, ash content, deacetylation degree (DD), and
molecular weight (MW). The gel was made by mixing 2.50% (w/v) chitosan solution,
4.00, 5.00, and 6.00% (v/v) glutaraldehyde, and 0.00, 0.75, and 1.00% (b/v) alginate.
Based on proximate analysis, the chitosan had 5.89% of moisture content, 0.15% of ash
content, 73.61% of DD, and 4.30 × 105 g mol-1 of MW.
The optimum gel condition for metal adsorption was at 4.00% of glutaraldehyde
and 0.83% of alginate, with gel strength, break point, rigidity, swelling, and shrinking
properties were 881.4385 g cm-2, 1.0267 cm, 8.5179 g cm-1, 4.5313 g, dan 1.6280 g,
respectively. Fourier transform infrared spectrum of chitosan-glutaraldehyde gel and
chitosan-glutaraldehyde-alginate gel showed specific absorption at 1563 cm-1 indicating
imine groups which was not found in chitosan spectrum. Adsorption of chitosan-alginate
gel toward Cu(II) ion with concentrations of 500 and 1000 ppm were studied at pH 3 and
6. The best adsorption capacity of Cu(II) was at pH 6 and 1000 ppm of Cu(II). The
equation constants of the Langmuir isotherm were k1 = 6.42 × 10-3 ± 8.87 × 10-4 and k2 =
1.18 × 10-3 ± 3.88 × 10-4, with linearity 97.57%. The equation constants of the Freundlich
isotherm were k = 2.94 × 10-2 ± 1.61 × 10-2 and 1/n = 1.48 ± 0.19, with linearity 96.18%.
OPTIMALISASI SINTESIS DAN KAJIAN ADSORPSI GEL
KITOSAN-ALGINAT TERHADAP ION Cu(II)
DWI WAHYONO
Skripsi
Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas rahmat dan karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Penelitian ini berjudul Optimalisasi
Sintesis dan Kajian Adsorpsi Gel Kitosan-Alginat Terhadap Ion Cu(II).
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Purwantiningsih Sugita, MS dan
Drs. Ahmad Sjahriza, selaku pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan
pengarahan dalam penyusunan karya ilmiah ini. Terima kasih juga penulis ucapkan
kepada Prof. Dr. Suminar S. Achmadi dan Budi Arifin S.Si. yang banyak memberi saran
dan arahan. Ungkapan terima kasih penulis berikan kepada Mama, Papa, dan keluarga
atas dukungan baik moril maupun materil, serta kasih sayang dan doanya. Penghargaan
penulis sampaikan kepada seluruh staf dan laboran Kimia Organik, Pak Taufik, Mas Heri,
Om Eman atas bantuannya. Selain itu, ucapan terima kasih kepada rekan-rekan
sepenelitian (Dwi Wahyu, Rahma, Anti), Riki, Soele, teman-teman kost (Rossi, Om
Asep, Mas Waluyo, Satria, Clauduo, Mas Kholil, Hisam), serta teman-teman Kimia 38
yang tidak dapat disebutkan semua atas persahabatan, ilmu, semangat yang diberikan
serta kebersamaan yang indah.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, April 2006
Dwi Wahyono
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Tangerang pada tanggal 21 Agustus 1983 dari ayah Saino
Sudibyo dan ibu Siti Nurjanah. Penulis merupakan anak kedua dari empat bersaudara.
Tahun 2001 penulis lulus dari SMUN 2 Tangerang dan pada tahun yang sama
penulis diterima sebagai mahasiswa Departemen Kimia IPB melalui jalur Undangan
Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi
asisten praktikum mata kuliah Kimia Dasar II, Kimia Organik, dan Kimia untuk
mahasiswa Tingkat Persiapan Bersama (TPB). Pada tahun 2004 penulis melaksanakan
Praktik Kerja Lapangan di Laboratorium Quality Qontrol PT Indocement Tunggal
Prakarsa, Tbk.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL........................................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... ix
DAFTAR LAMPIRAN...................................................................................................
x
PENDAHULUAN ......................................................................................................... 1
TINJAUAN PUSTAKA
Kitosan ................................................................................................................
Gel Kitosan-Alginat ...........................................................................................
Tautan Silang Kitosan ........................................................................................
Sifat Reologi Gel ...............................................................................................
Isoterm Adsorpsi ................................................................................................
1
2
3
4
4
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat .................................................................................................. 5
Metode Penelitian ............................................................................................. 5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pencirian Kitosan ...............................................................................................
Optimalisasi dan Analisis Sifat Reologi Gel.......................................................
Analisis Gugus Fungsi .......................................................................................
Validasi Gel .......................................................................................................
Pembuatan Kurva Standar ..................................................................................
Adsorpsi Logam Oleh Gel Kitosan-Alginat ......................................................
Isoterm Adsorpsi ................................................................................................
8
8
10
11
11
11
12
SIMPULAN DAN SARAN ............................................................................................ 13
DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................... 13
LAMPIRAN ................................................................................................................... 15
DAFTAR TABEL
Halaman
1
Parameter mutu kitosan niaga .................................................................................. 2
2
Parameter kitin, kitosan, dan kitosan niaga ............................................................... 8
3
Persamaan alginat, glutaraldehida, dan interaksinya terhadap respons .................... 10
4
Hasil validasi gel optimum ....................................................................................... 11
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Struktur kitosan ........................................................................................................ 1
2
Struktur alginat ......................................................................................................... 2
3
Kelat kitosan dengan ion Cu(II) ................................................................................ 3
4
Struktur glutaraldehida ............................................................................................. 3
5
Struktur tautan silang kitosan dengan glutaraldehida................................................ 3
6
Struktur dari hidrogel kitosan (a) tautan silang antarkitosan, (b) jaringan
polimer hibrida, (c) jaringan semi-IPN, (d) tautan silang ionik kitosan ................... 4
7
Metode garis-dasar untuk analisis derajat deasetilasi kitosan .................................. 6
8
Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap nilai
kekuatan pecah gel ................................................................................................... 8
9
Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap titik pecah gel ....... 9
10 Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap nilai
ketegaran gel ............................................................................................................. 9
11 Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap nilai
pembengkakan gel .................................................................................................... 9
12 Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap nilai
pengerutan gel .......................................................................................................... 10
13 Spektrum FTIR (a) kitosan, (b) gel kitosan-glutaraldehida, dan (c) gel
kitosan-glutaraldehida-alginat .................................................................................. 11
14 Hubungan antara absorbans dan konsentrasi CuSO4.5H2O ....................................... 11
15 Hubungan antara waktu dan kapasitas adsorpsi maksimum pada (a) pH 3
dan (b) pH 6............................................................................................................... 12
16 Isoterm adsorpsi Langmuir ion Cu(II)....................................................................... 12
17 Isoterm adsorpsi Freundlich ion Cu(II) ..................................................................... 12
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Diagram alir sintesis kitin dan kitosan ..................................................................... 16
2. Diagram alir penelitian ............................................................................................. 17
3. Data hasil pengukuran kadar air dan abu kitin dan kitosan, serta reologi gel
kitosan-alginat ........................................................................................................... 18
4. Spektrum FTIR dan derajat deasetilasi kitin dan kitosan .......................................... 20
5. Penentuan bobot molekul kitosan ............................................................................. 22
6. Grafik tiga dimensi hubungan glutaraldehida dengan alginat terhadap sifat
reologi gel .................................................................................................................. 23
7. Data hasil uji ANOVA dan koefisien kuadratik ........................................................ 26
8. Kurva adsorpsi pada penentuan panjang gelombang maksimum larutan
CuSO4.5H2O............................................................................................................... 29
9. Kapasitas adsorpsi maksimum larutan ion Cu(II) pada pH 3 .................................... 29
10. Kapasitas adsorpsi maksimum larutan ion Cu(II) pada pH 6 .................................... 29
PENDAHULUAN
Udang merupakan salah satu hasil
perikanan Indonesia yang banyak dikonsumsi
oleh masyarakat. Selain dikonsumsi, udang
juga banyak dimanfaatkan dalam dunia
industri sebagai salah satu komoditas ekspor
non-migas. Udang diekspor dalam bentuk
udang beku yang sudah dibuang bagian kepala
dan kulitnya. Ekspor udang Indonesia ke
Amerika pada triwulan pertama tahun 2005
mencapai 14 ribu ton, sedangkan pada periode
yang sama tahun 2004 hanya mencapai 6 ribu
ton (Kustiani 2005). Semakin meningkatnya
ekspor udang Indonesia dari tahun ke tahun
berakibat pada bertambahnya limbah udang.
Selama ini di Indonesia, limbah udang
baru dimanfaatkan sebagai campuran ransum
pakan ternak atau sebagai bahan campuran
dalam pembuatan terasi, petis, dan kerupuk
udang. Sementara di negara maju, seperti
Amerika dan Jepang, limbah udang telah
banyak dimanfaatkan sebagai bahan baku
pembuatan kitin, kitosan, atau turunan dari
keduanya yang berdaya guna dan bernilai
tinggi di berbagai bidang industri modern,
seperti farmasi, biokimia, kosmetika, industri
kertas, industri pangan, dan industri tekstil.
Salah satu kegunaan kitosan adalah
afinitasnya dalam menjerap ion logam berat.
Besarnya afinitas kitosan dalam mengikat
logam sangat bergantung pada ciri
makrostruktur kitosan yang dipengaruhi oleh
sumber dan kondisi pada proses isolasi
(Schmuhl et al. 2001). Bentuk serpihan
kitosan telah diuji coba afinitasnya terhadap
ion Pb2+, Ni2+, dan Cr6+ dengan persentase
pengikatan berturut-turut (84–98)%, (40–
92)%, dan (17–46)% (Jamaludin 1994).
Adsorpsi ion Cu(II) dan Cr(VI) pada kitosan
yang berbentuk serpihan dan butiran juga
telah dilaporkan mengikuti pola isoterm
Langmuir dan Freundlich (Nurdiani 2005).
Modifikasi kimiawi kitosan menjadi gel
dapat
meningkatkan
kemampuan
dan
kapasitas adsorpsinya terhadap ion logam
berat (Guibal 1997). Hal ini disebabkan
bentuk gel mempunyai volume pori yang
lebih besar dibandingkan dengan bentuk
serpihan. Kemampuan adsorpsi gel kitosan
sangat dipengaruhi oleh kestabilan sifat gel
yang terbentuk. Telah dilaporkan bahwa
penambahan polivinil alkohol (PVA) pada
pembentukan gel kitosan dapat memperbaiki
sifat gel yang terbentuk, yaitu menurunkan
waktu gelasi dan meningkatkan kekuatan
mekanik gel (Wang et al. 2004 dan Aisyah
2005). Setelah itu, semakin banyak dilakukan
modifikasi kimiawi terhadap kitosan agar
kegunaannya semakin luas. Salah satu bentuk
modifikasi
terhadap
kitosan
adalah
penambahan hidrokoloid alami, misalnya
dengan alginat membentuk gel kitosanalginat. Sejauh ini, kitosan telah dimodifikasi
dengan
alginat
membentuk
membran
kompleks polielektrolit (PEC) (Cardenas et al.
2003). Alginat dapat memperbaiki struktur
dasar
makromolekul
kitosan
dengan
membentuk tautan silang pada proses gelasi
sehingga dihasilkan sifat gel kitosan yang
berbeda.
Modifikasi kimiawi kitosan dengan alginat
(PEC) telah dikembangkan dalam bidang
pangan, kosmetik, dan industri farmasi.
Kompleks polielektrolit dibentuk dengan
mencampurkan larutan makromolekul yang
berbeda muatan (Cardenas et al. 2003).
Penelitian ini bertujuan mensintesis gel
kitosan-alginat, melakukan optimalisasi gel
tersebut dilihat dari sifat reologinya, dan
menentukan kapasitas adsorpsi gel kitosanalginat terhadap logam Cu(II) dalam larutan
tunggal ion logam. Gel kitosan-alginat yang
terbentuk diharapkan dapat digunakan untuk
mengadsorpsi logam Cu(II).
TINJAUAN PUSTAKA
Kitosan
Kitosan merupakan biopolimer polikationik linear dengan unit berulang 2-amino2-deoksi-D-glukopiranosa yang terhubung
oleh ikatan β-(1→4) (Thatte 2004). Struktur
kimia kitosan disajikan pada Gambar 1.
n
Gambar 1 Struktur kitosan.
Kitosan
memiliki
rumus
molekul
(C6H11NO4)n dan merupakan salah satu dari
sedikit polimer alam yang berbentuk
polielektrolit kationik dalam larutan asam
organik (Hirano 1986 dalam Jamaludin 1994).
Berbeda dengan kitin yang tidak larut dalam
larutan asam dan basa encer, serta kebanyakan
pelarut organik, kitosan larut dalam pelarut
organik, HCl encer, HNO3 encer, dan H3PO4
0,5%, tetapi tidak larut dalam basa kuat dan
H2SO4. Sifat kelarutan kitosan ini dipengaruhi
2
oleh bobot molekul dan derajat deasetilasi
yang beragam bergantung pada sumber dan
metode isolasi (Muzi 1990 dalam Jamaludin
1994). Kitosan tidak beracun dan mudah
terbiodegradasi. Bobot molekul kitosan
beragam, bergantung pada degradasi yang
terjadi
selama
proses
deasetilasi
(Purwantiningsih 1992).
Parameter mutu kitosan biasanya dilihat
dari nilai derajat deasetilasi, kadar air, kadar
abu, bobot molekul, dan viskositas. Kitosan
niaga memiliki bobot molekul sekitar 1 × 105–
1.2 × 106 g/mol. Viskositas kitosan dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti derajat
deasetilasi, bobot molekul, konsentrasi
pelarut, dan suhu. Parameter mutu kitosan
niaga dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Parameter mutu kitosan niaga*
Parameter
Ciri
Ukuran partikel
Serpihan sampai bubuk
Kadar air
≤ 10%
Kadar abu
≤ 2%
Derajat
≥ 70%
deasetilasi
Warna larutan
tidak berwarna
Viskositas (cps):
Rendah
< 200
Medium
200–799
Tinggi
800–2000
Sangat tinggi >2000
* Sumber: Anonim (1987) dalam Jamaludin (1994)
Deasetilasi kitosan merupakan proses
penghilangan gugus asetil pada kitin menjadi
gugus amino bebas menggunakan basa kuat.
Kondisi basa dimaksudkan untuk memutuskan
ikatan antara amina dan gugus asetil yang
terdapat pada kitin. Waktu deasetilasi yang
panjang dengan suhu yang tinggi akan
menurunkan rendemen, bobot molekul,
viskositas, dan kemampuan mekanik lembaran
kitosan (Bastaman 1989). Salah satu metode
yang dapat digunakan untuk menentukan
derajat deasetilasi kitosan ialah spektroskopi
inframerah (IR).
Gel Kitosan-Alginat
Hidrokoloid adalah polimer berantai
panjang yang larut atau terdispersi di dalam
air dan dapat mengental dalam medium
tersebut (Fardiaz 1989). Oleh karena itu,
hidrokoloid
dapat
digunakan
sebagai
komponen pembentuk gel. Berdasarkan
sumber asalnya, hidrokoloid dapat dibedakan
menjadi tiga jenis, yaitu hidrokoloid alami,
hidrokoloid alami termodifikasi, dan hidro-
koloid sintesis. Alginat merupakan salah satu
contoh hidrokoloid alami.
Alginat merupakan polimer rantai lurus
yang terdiri atas residu-residu asam β-(1→4)D-manuronat (M) dan asam α-(1→4)-Lguluronat (G) yang membentuk blok
homopolimer M atau G dan blok heteropolimer MG (Cardenas et al. 2003). Meskipun
residu-residu tersebut merupakan epimer
(residu asam D-manuronat secara enzimatik
diubah
menjadi
L-guluronat
setelah
polimerisasi) dan hanya berbeda pada atom
C5, keduanya memiliki konformasi yang
sangat berbeda. Asam D-manuronat memiliki
posisi tautan diekuatorial antarresidu,
sedangkan asam L-guluronat memiliki posisi
tautan diaksial antarresidu (Chaplin 2005).
Alginat dapat dibuat dengan kisaran bobot
molekul yang lebar (50–100.000 residu).
Rumus struktur alginat ditunjukkkan pada
Gambar 2.
Gambar 2 Struktur alginat (Chaplin 2005).
Sifat utama alginat yang diperoleh dari
strukturnya adalah kemampuannya untuk
membentuk gel dengan adanya kation divalen
(Cardenas et al. 2003). Gel didefinisikan
sebagai jaringan polimerik yang dapat
menampung sejumlah tertentu air di dalam
strukturnya dan mengembang tanpa melarut di
dalamnya (Wang et al. 2004). Gel yang
terbentuk dari alginat stabil terhadap panas
dan dapat dibentuk pada suhu ruang. Gel
tersebut terjadi dengan adanya sedikit ion
kalsium atau ion logam divalen atau trivalen
lainnya, atau dapat juga terbentuk tanpa
adanya ion-ion tersebut pada pH lebih kecil
dari 3. Gel alginat dapat terbentuk pada suhu
ruang sampai 100 oC dan gel ini tidak dapat
mencair dengan pemanasan (McHugh 1987
dalam Rahayu 2000).
Fungsi utama alginat adalah sebagai zat
pengatur kestabilan termal pada proses
pembentukan gel. Pembentukan gel alginat
terjadi pada konsentrasi yang jauh lebih
rendah daripada gelatin. Meskipun gel ini
cepat terdegradasi, ia dapat dipanaskan tanpa
meleleh. Laju pembentukan gel alginat
bergantung pada ion yang terikat (Mg2+
KITOSAN-ALGINAT TERHADAP ION Cu(II)
DWI WAHYONO
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
ABSTRAK
DWI WAHYONO. Optimalisasi Sintesis dan Kajian Adsorpsi Gel Kitosan-Alginat
Terhadap Ion Cu(II). Dibimbing oleh PURWANTININGSIH SUGITA dan AHMAD
SJAHRIZA.
Limbah kulit udang dapat dimanfaatkan untuk membuat kitosan. Sifat reologi
kitosan diperbaiki dalam bentuk gel dengan penambahan glutaraldehida dan hidrokoloid
alami, seperti alginat. Sifat reologi gel yang diukur adalah kekuatan, titik pecah,
ketegaran, pembengkakan, dan pengerutan gel, sedangkan parameter kitosan yang diukur
ialah kadar air, kadar abu, derajat deasetilasi (DD), dan bobot molekul (BM). Pembuatan
gel dilakukan dengan mencampurkan larutan kitosan 2.50% (b/v), glutaraldehida 4.00,
5.00, dan 6.00% (v/v), serta alginat 0.00, 0.75, dan 1.00% (b/v). Berdasarkan analisis
proksimat, kitosan memiliki kadar air 5.89%, kadar abu 0.15%, DD 73.61%, dan BM
4.30 × 105 g mol-1.
Kondisi gel optimum untuk menjerap logam terjadi pada konsentrasi glutaraldehida
4.00% dan alginat 0.83% yang memberikan kekuatan, titik pecah, ketegaran, sifat
pembengkakan, dan pengerutan gel berturut-turut 881.4385 g cm-2, 1.0267 cm, 8.5179 g
cm-1, 4.5313 g, dan 1.6280 g. Spektrum fourier transform infrared gel kitosanglutaraldehida, dan gel kitosan-glutaraldehida-alginat menunjukkan puncak serapan
spesifik pada 1563 cm-1 yang diduga sebagai gugus imina yang tidak terdapat pada
spektrum kitosan. Kajian adsorpsi gel kitosan-alginat terhadap ion Cu(II) dengan
konsentrasi 500 dan 1000 ppm dilakukan pada kondisi pH 3 dan 6. Kapasitas adsorpsi ion
Cu(II) paling besar pada kondisi pH 6 dan konsentrasi logam 1000 ppm. Tetapan
persamaan isoterm Langmuir adalah k1 = 6.42 × 10-3 ± 8.87 × 10-4 dan k2 = 1.18 × 10-3 ±
3.88 × 10-4, dengan nilai linearitas 97.57%. Tetapan persamaan isoterm Freundlich adalah
k = 2.94 × 10-2 ± 1.61 × 10-2 dan 1/n = 1.48 ± 0.19, dengan nilai linearitas 96.18%.
ABSTRACT
DWI WAHYONO. Synthesis Optimization and Adsorption Study of Chitosan-Alginate
Gel toward Cu(II) Ion. Supervised by PURWANTININGSIH SUGITA and AHMAD
SJAHRIZA.
Shrimp shell can be used to make chitosan. Rheological properties of chitosan
were improved by gelation using glutaraldehyde and alginate. Rheological properties of
gel measured were strength, break point, rigidity, swelling, and shrinking, while chitosan
parameters measured were moisture content, ash content, deacetylation degree (DD), and
molecular weight (MW). The gel was made by mixing 2.50% (w/v) chitosan solution,
4.00, 5.00, and 6.00% (v/v) glutaraldehyde, and 0.00, 0.75, and 1.00% (b/v) alginate.
Based on proximate analysis, the chitosan had 5.89% of moisture content, 0.15% of ash
content, 73.61% of DD, and 4.30 × 105 g mol-1 of MW.
The optimum gel condition for metal adsorption was at 4.00% of glutaraldehyde
and 0.83% of alginate, with gel strength, break point, rigidity, swelling, and shrinking
properties were 881.4385 g cm-2, 1.0267 cm, 8.5179 g cm-1, 4.5313 g, dan 1.6280 g,
respectively. Fourier transform infrared spectrum of chitosan-glutaraldehyde gel and
chitosan-glutaraldehyde-alginate gel showed specific absorption at 1563 cm-1 indicating
imine groups which was not found in chitosan spectrum. Adsorption of chitosan-alginate
gel toward Cu(II) ion with concentrations of 500 and 1000 ppm were studied at pH 3 and
6. The best adsorption capacity of Cu(II) was at pH 6 and 1000 ppm of Cu(II). The
equation constants of the Langmuir isotherm were k1 = 6.42 × 10-3 ± 8.87 × 10-4 and k2 =
1.18 × 10-3 ± 3.88 × 10-4, with linearity 97.57%. The equation constants of the Freundlich
isotherm were k = 2.94 × 10-2 ± 1.61 × 10-2 and 1/n = 1.48 ± 0.19, with linearity 96.18%.
OPTIMALISASI SINTESIS DAN KAJIAN ADSORPSI GEL
KITOSAN-ALGINAT TERHADAP ION Cu(II)
DWI WAHYONO
Skripsi
Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas rahmat dan karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Penelitian ini berjudul Optimalisasi
Sintesis dan Kajian Adsorpsi Gel Kitosan-Alginat Terhadap Ion Cu(II).
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Purwantiningsih Sugita, MS dan
Drs. Ahmad Sjahriza, selaku pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan
pengarahan dalam penyusunan karya ilmiah ini. Terima kasih juga penulis ucapkan
kepada Prof. Dr. Suminar S. Achmadi dan Budi Arifin S.Si. yang banyak memberi saran
dan arahan. Ungkapan terima kasih penulis berikan kepada Mama, Papa, dan keluarga
atas dukungan baik moril maupun materil, serta kasih sayang dan doanya. Penghargaan
penulis sampaikan kepada seluruh staf dan laboran Kimia Organik, Pak Taufik, Mas Heri,
Om Eman atas bantuannya. Selain itu, ucapan terima kasih kepada rekan-rekan
sepenelitian (Dwi Wahyu, Rahma, Anti), Riki, Soele, teman-teman kost (Rossi, Om
Asep, Mas Waluyo, Satria, Clauduo, Mas Kholil, Hisam), serta teman-teman Kimia 38
yang tidak dapat disebutkan semua atas persahabatan, ilmu, semangat yang diberikan
serta kebersamaan yang indah.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, April 2006
Dwi Wahyono
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Tangerang pada tanggal 21 Agustus 1983 dari ayah Saino
Sudibyo dan ibu Siti Nurjanah. Penulis merupakan anak kedua dari empat bersaudara.
Tahun 2001 penulis lulus dari SMUN 2 Tangerang dan pada tahun yang sama
penulis diterima sebagai mahasiswa Departemen Kimia IPB melalui jalur Undangan
Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi
asisten praktikum mata kuliah Kimia Dasar II, Kimia Organik, dan Kimia untuk
mahasiswa Tingkat Persiapan Bersama (TPB). Pada tahun 2004 penulis melaksanakan
Praktik Kerja Lapangan di Laboratorium Quality Qontrol PT Indocement Tunggal
Prakarsa, Tbk.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL........................................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... ix
DAFTAR LAMPIRAN...................................................................................................
x
PENDAHULUAN ......................................................................................................... 1
TINJAUAN PUSTAKA
Kitosan ................................................................................................................
Gel Kitosan-Alginat ...........................................................................................
Tautan Silang Kitosan ........................................................................................
Sifat Reologi Gel ...............................................................................................
Isoterm Adsorpsi ................................................................................................
1
2
3
4
4
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat .................................................................................................. 5
Metode Penelitian ............................................................................................. 5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pencirian Kitosan ...............................................................................................
Optimalisasi dan Analisis Sifat Reologi Gel.......................................................
Analisis Gugus Fungsi .......................................................................................
Validasi Gel .......................................................................................................
Pembuatan Kurva Standar ..................................................................................
Adsorpsi Logam Oleh Gel Kitosan-Alginat ......................................................
Isoterm Adsorpsi ................................................................................................
8
8
10
11
11
11
12
SIMPULAN DAN SARAN ............................................................................................ 13
DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................... 13
LAMPIRAN ................................................................................................................... 15
DAFTAR TABEL
Halaman
1
Parameter mutu kitosan niaga .................................................................................. 2
2
Parameter kitin, kitosan, dan kitosan niaga ............................................................... 8
3
Persamaan alginat, glutaraldehida, dan interaksinya terhadap respons .................... 10
4
Hasil validasi gel optimum ....................................................................................... 11
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Struktur kitosan ........................................................................................................ 1
2
Struktur alginat ......................................................................................................... 2
3
Kelat kitosan dengan ion Cu(II) ................................................................................ 3
4
Struktur glutaraldehida ............................................................................................. 3
5
Struktur tautan silang kitosan dengan glutaraldehida................................................ 3
6
Struktur dari hidrogel kitosan (a) tautan silang antarkitosan, (b) jaringan
polimer hibrida, (c) jaringan semi-IPN, (d) tautan silang ionik kitosan ................... 4
7
Metode garis-dasar untuk analisis derajat deasetilasi kitosan .................................. 6
8
Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap nilai
kekuatan pecah gel ................................................................................................... 8
9
Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap titik pecah gel ....... 9
10 Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap nilai
ketegaran gel ............................................................................................................. 9
11 Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap nilai
pembengkakan gel .................................................................................................... 9
12 Kurva 2 dimensi pengaruh alginat dan glutaraldehida terhadap nilai
pengerutan gel .......................................................................................................... 10
13 Spektrum FTIR (a) kitosan, (b) gel kitosan-glutaraldehida, dan (c) gel
kitosan-glutaraldehida-alginat .................................................................................. 11
14 Hubungan antara absorbans dan konsentrasi CuSO4.5H2O ....................................... 11
15 Hubungan antara waktu dan kapasitas adsorpsi maksimum pada (a) pH 3
dan (b) pH 6............................................................................................................... 12
16 Isoterm adsorpsi Langmuir ion Cu(II)....................................................................... 12
17 Isoterm adsorpsi Freundlich ion Cu(II) ..................................................................... 12
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Diagram alir sintesis kitin dan kitosan ..................................................................... 16
2. Diagram alir penelitian ............................................................................................. 17
3. Data hasil pengukuran kadar air dan abu kitin dan kitosan, serta reologi gel
kitosan-alginat ........................................................................................................... 18
4. Spektrum FTIR dan derajat deasetilasi kitin dan kitosan .......................................... 20
5. Penentuan bobot molekul kitosan ............................................................................. 22
6. Grafik tiga dimensi hubungan glutaraldehida dengan alginat terhadap sifat
reologi gel .................................................................................................................. 23
7. Data hasil uji ANOVA dan koefisien kuadratik ........................................................ 26
8. Kurva adsorpsi pada penentuan panjang gelombang maksimum larutan
CuSO4.5H2O............................................................................................................... 29
9. Kapasitas adsorpsi maksimum larutan ion Cu(II) pada pH 3 .................................... 29
10. Kapasitas adsorpsi maksimum larutan ion Cu(II) pada pH 6 .................................... 29
PENDAHULUAN
Udang merupakan salah satu hasil
perikanan Indonesia yang banyak dikonsumsi
oleh masyarakat. Selain dikonsumsi, udang
juga banyak dimanfaatkan dalam dunia
industri sebagai salah satu komoditas ekspor
non-migas. Udang diekspor dalam bentuk
udang beku yang sudah dibuang bagian kepala
dan kulitnya. Ekspor udang Indonesia ke
Amerika pada triwulan pertama tahun 2005
mencapai 14 ribu ton, sedangkan pada periode
yang sama tahun 2004 hanya mencapai 6 ribu
ton (Kustiani 2005). Semakin meningkatnya
ekspor udang Indonesia dari tahun ke tahun
berakibat pada bertambahnya limbah udang.
Selama ini di Indonesia, limbah udang
baru dimanfaatkan sebagai campuran ransum
pakan ternak atau sebagai bahan campuran
dalam pembuatan terasi, petis, dan kerupuk
udang. Sementara di negara maju, seperti
Amerika dan Jepang, limbah udang telah
banyak dimanfaatkan sebagai bahan baku
pembuatan kitin, kitosan, atau turunan dari
keduanya yang berdaya guna dan bernilai
tinggi di berbagai bidang industri modern,
seperti farmasi, biokimia, kosmetika, industri
kertas, industri pangan, dan industri tekstil.
Salah satu kegunaan kitosan adalah
afinitasnya dalam menjerap ion logam berat.
Besarnya afinitas kitosan dalam mengikat
logam sangat bergantung pada ciri
makrostruktur kitosan yang dipengaruhi oleh
sumber dan kondisi pada proses isolasi
(Schmuhl et al. 2001). Bentuk serpihan
kitosan telah diuji coba afinitasnya terhadap
ion Pb2+, Ni2+, dan Cr6+ dengan persentase
pengikatan berturut-turut (84–98)%, (40–
92)%, dan (17–46)% (Jamaludin 1994).
Adsorpsi ion Cu(II) dan Cr(VI) pada kitosan
yang berbentuk serpihan dan butiran juga
telah dilaporkan mengikuti pola isoterm
Langmuir dan Freundlich (Nurdiani 2005).
Modifikasi kimiawi kitosan menjadi gel
dapat
meningkatkan
kemampuan
dan
kapasitas adsorpsinya terhadap ion logam
berat (Guibal 1997). Hal ini disebabkan
bentuk gel mempunyai volume pori yang
lebih besar dibandingkan dengan bentuk
serpihan. Kemampuan adsorpsi gel kitosan
sangat dipengaruhi oleh kestabilan sifat gel
yang terbentuk. Telah dilaporkan bahwa
penambahan polivinil alkohol (PVA) pada
pembentukan gel kitosan dapat memperbaiki
sifat gel yang terbentuk, yaitu menurunkan
waktu gelasi dan meningkatkan kekuatan
mekanik gel (Wang et al. 2004 dan Aisyah
2005). Setelah itu, semakin banyak dilakukan
modifikasi kimiawi terhadap kitosan agar
kegunaannya semakin luas. Salah satu bentuk
modifikasi
terhadap
kitosan
adalah
penambahan hidrokoloid alami, misalnya
dengan alginat membentuk gel kitosanalginat. Sejauh ini, kitosan telah dimodifikasi
dengan
alginat
membentuk
membran
kompleks polielektrolit (PEC) (Cardenas et al.
2003). Alginat dapat memperbaiki struktur
dasar
makromolekul
kitosan
dengan
membentuk tautan silang pada proses gelasi
sehingga dihasilkan sifat gel kitosan yang
berbeda.
Modifikasi kimiawi kitosan dengan alginat
(PEC) telah dikembangkan dalam bidang
pangan, kosmetik, dan industri farmasi.
Kompleks polielektrolit dibentuk dengan
mencampurkan larutan makromolekul yang
berbeda muatan (Cardenas et al. 2003).
Penelitian ini bertujuan mensintesis gel
kitosan-alginat, melakukan optimalisasi gel
tersebut dilihat dari sifat reologinya, dan
menentukan kapasitas adsorpsi gel kitosanalginat terhadap logam Cu(II) dalam larutan
tunggal ion logam. Gel kitosan-alginat yang
terbentuk diharapkan dapat digunakan untuk
mengadsorpsi logam Cu(II).
TINJAUAN PUSTAKA
Kitosan
Kitosan merupakan biopolimer polikationik linear dengan unit berulang 2-amino2-deoksi-D-glukopiranosa yang terhubung
oleh ikatan β-(1→4) (Thatte 2004). Struktur
kimia kitosan disajikan pada Gambar 1.
n
Gambar 1 Struktur kitosan.
Kitosan
memiliki
rumus
molekul
(C6H11NO4)n dan merupakan salah satu dari
sedikit polimer alam yang berbentuk
polielektrolit kationik dalam larutan asam
organik (Hirano 1986 dalam Jamaludin 1994).
Berbeda dengan kitin yang tidak larut dalam
larutan asam dan basa encer, serta kebanyakan
pelarut organik, kitosan larut dalam pelarut
organik, HCl encer, HNO3 encer, dan H3PO4
0,5%, tetapi tidak larut dalam basa kuat dan
H2SO4. Sifat kelarutan kitosan ini dipengaruhi
2
oleh bobot molekul dan derajat deasetilasi
yang beragam bergantung pada sumber dan
metode isolasi (Muzi 1990 dalam Jamaludin
1994). Kitosan tidak beracun dan mudah
terbiodegradasi. Bobot molekul kitosan
beragam, bergantung pada degradasi yang
terjadi
selama
proses
deasetilasi
(Purwantiningsih 1992).
Parameter mutu kitosan biasanya dilihat
dari nilai derajat deasetilasi, kadar air, kadar
abu, bobot molekul, dan viskositas. Kitosan
niaga memiliki bobot molekul sekitar 1 × 105–
1.2 × 106 g/mol. Viskositas kitosan dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti derajat
deasetilasi, bobot molekul, konsentrasi
pelarut, dan suhu. Parameter mutu kitosan
niaga dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Parameter mutu kitosan niaga*
Parameter
Ciri
Ukuran partikel
Serpihan sampai bubuk
Kadar air
≤ 10%
Kadar abu
≤ 2%
Derajat
≥ 70%
deasetilasi
Warna larutan
tidak berwarna
Viskositas (cps):
Rendah
< 200
Medium
200–799
Tinggi
800–2000
Sangat tinggi >2000
* Sumber: Anonim (1987) dalam Jamaludin (1994)
Deasetilasi kitosan merupakan proses
penghilangan gugus asetil pada kitin menjadi
gugus amino bebas menggunakan basa kuat.
Kondisi basa dimaksudkan untuk memutuskan
ikatan antara amina dan gugus asetil yang
terdapat pada kitin. Waktu deasetilasi yang
panjang dengan suhu yang tinggi akan
menurunkan rendemen, bobot molekul,
viskositas, dan kemampuan mekanik lembaran
kitosan (Bastaman 1989). Salah satu metode
yang dapat digunakan untuk menentukan
derajat deasetilasi kitosan ialah spektroskopi
inframerah (IR).
Gel Kitosan-Alginat
Hidrokoloid adalah polimer berantai
panjang yang larut atau terdispersi di dalam
air dan dapat mengental dalam medium
tersebut (Fardiaz 1989). Oleh karena itu,
hidrokoloid
dapat
digunakan
sebagai
komponen pembentuk gel. Berdasarkan
sumber asalnya, hidrokoloid dapat dibedakan
menjadi tiga jenis, yaitu hidrokoloid alami,
hidrokoloid alami termodifikasi, dan hidro-
koloid sintesis. Alginat merupakan salah satu
contoh hidrokoloid alami.
Alginat merupakan polimer rantai lurus
yang terdiri atas residu-residu asam β-(1→4)D-manuronat (M) dan asam α-(1→4)-Lguluronat (G) yang membentuk blok
homopolimer M atau G dan blok heteropolimer MG (Cardenas et al. 2003). Meskipun
residu-residu tersebut merupakan epimer
(residu asam D-manuronat secara enzimatik
diubah
menjadi
L-guluronat
setelah
polimerisasi) dan hanya berbeda pada atom
C5, keduanya memiliki konformasi yang
sangat berbeda. Asam D-manuronat memiliki
posisi tautan diekuatorial antarresidu,
sedangkan asam L-guluronat memiliki posisi
tautan diaksial antarresidu (Chaplin 2005).
Alginat dapat dibuat dengan kisaran bobot
molekul yang lebar (50–100.000 residu).
Rumus struktur alginat ditunjukkkan pada
Gambar 2.
Gambar 2 Struktur alginat (Chaplin 2005).
Sifat utama alginat yang diperoleh dari
strukturnya adalah kemampuannya untuk
membentuk gel dengan adanya kation divalen
(Cardenas et al. 2003). Gel didefinisikan
sebagai jaringan polimerik yang dapat
menampung sejumlah tertentu air di dalam
strukturnya dan mengembang tanpa melarut di
dalamnya (Wang et al. 2004). Gel yang
terbentuk dari alginat stabil terhadap panas
dan dapat dibentuk pada suhu ruang. Gel
tersebut terjadi dengan adanya sedikit ion
kalsium atau ion logam divalen atau trivalen
lainnya, atau dapat juga terbentuk tanpa
adanya ion-ion tersebut pada pH lebih kecil
dari 3. Gel alginat dapat terbentuk pada suhu
ruang sampai 100 oC dan gel ini tidak dapat
mencair dengan pemanasan (McHugh 1987
dalam Rahayu 2000).
Fungsi utama alginat adalah sebagai zat
pengatur kestabilan termal pada proses
pembentukan gel. Pembentukan gel alginat
terjadi pada konsentrasi yang jauh lebih
rendah daripada gelatin. Meskipun gel ini
cepat terdegradasi, ia dapat dipanaskan tanpa
meleleh. Laju pembentukan gel alginat
bergantung pada ion yang terikat (Mg2+