Biodegradasi suatu polimer dapat terjadi melalui hidrolisis dan oksidasi. Adanya gugus oksidatif dan gugus yang dapat terhidrolisi pada rantai
utama, adanya gugus substitusi yang cocok, stereo konfigurasi yang tepat, keseimbangan gugus hidrophobik dan hidrophilik, dan penyesuaian kelenturan
mempengaruhi derajat keteruraian suatu polimer Huang and Edelman dalam Scott dan Gilead, 1995.
Huang dan Edelman dalam Scott dan Gilead 1995 membagi polimer biodegradable ke dalam tiga kelas, yaitu 1 polimer alami dari tanaman atau
hewan contoh: selulosa, pati, protein, kolagen, dll, 2 polimer biosintesis yang diproduksi oleh mikroba melalui kultivasi contoh: PHA, 3 polimer
sintetik tertentu yang memang memiliki sifat biodegradable contoh: polikaprolakton dan poli-asam laktat.
B. POLIHIDROKSIALKANOAT PHA
Salah satu kelompok senyawa yang termasuk ke dalam golongan bahan plastik biodegradable adalah golongan poli-
β-hidroksialkanoat PHA, poliester dari asam hidroksi yang disintesis oleh sebagian besar jenis bakteri
sebagai cadangan karbon dan energi. Golongan senyawa tersebut telah menjadi perhatian banyak pihak karena sifatnya yang termoplastik dan tidak
larut dalam air serta kemampuannya untuk terurai sempurna di lingkungan yang berbeda seperti lingkungan perairan dan tanah, baik aerob maupun
anaerob Poirier, 1999. Struktur umum dari polihidroksialkanoat dapat dilihat pada Gambar 1.
H O
CH R
O CH
2
C OH
n
PHA rantai pendek R = H, CH
3
, CH
2
CH
3
PHA rantai menengah R = CH
2 2
CH
3
–CH
2 8
CH
3
n = 100-30.000
Gambar 1. Struktur umum PHA Atkinson dan Mavituna 1991 dan Randall et al. 2001
Tata nama PHA ditentukan berdasarkan gugus alkil R pada unit monomer penyusunnya. PHB poli-3-hidroksibutirat jika R adalah gugus CH
3
metil, PHV poli-3-hidroksivalerat jika R adalah CH
2
CH
3
etil, PHC poli- 3-hidroksikaproat jika R adalah n-propil, PHH poli-3-hidroksiheptanoat jika
R = n-butil, PHO poli-3-hidroksioktanoat jika R = n-pentil, PHN poli-3- hidroksinanoat jika R=n-heksil, PHD poli-3-hidroksidekanoat jika R = n-
heptil, PHUD poli-3-hidroksi undekanoat jika R = n-oktil dan PHDD poli- 3-hidroksidodekanoat jika R = n-nonil Atkinson dan Mavituna, 1991
Mikroba prokariot dan eukariot sebagian besar memiliki kemampuan secara enzimatik untuk mensintesis berbagai macam cadangan karbon
intraselluler. Material cadangan ini dibentuk oleh mikroba pada kondisi tertentu, seperti pada saat kondisi pertumbuhan yang tidak seimbang. Contoh
kondisi yang dapat memicu pembentukan cadangan karbon oleh mikroba adalah pada saat sumber karbon yang berlebih di lingkungan, sedangkan pada
saat yang sama sintesis protein dan atau asam nukleat terhambat baik karena kekurangan nitrogen ataupun karena adanya inhibitor. Ketidakseimbangan
konsentrasi sumber karbon dan nitrogen berdampak pada pembentukan material cadangan sel terutama pembentukan cadangan karbon seperti
glikogen dan asam poli- β-hidroksibutirat poli-HB Poirier, 1999.
Terdapat lebih dari 300 jenis mikroorganisme yang dapat mensintesis PHA 30-80 dari bobot kering selnya namun hanya sejumlah bakteri
termasuk Ralstonia eutropha, Alcaligenes latus, Azotobacter venelandii, Chromobacterium violaceum, metilotrof, pseudomonad, dan rekombinan E.
coli yang prospektif digunakan dalam komersialisasi produksi PHA karena produktifitasnya lebih besar dari 2 gLjam Lee dan Choi dalam Babel dan
Steinbuchel, 2001. Menurut Atifah 2006, pada kultivasi sistem fed-batch, pengumpanan
sumber karbon dilakukan pada saat bakteri memasuki fase pertumbuhan stasioner dari daur hidupnya. Bakteri Ralstonia eutropha mengalami fase
pertumbuhan logaritmik hingga jam ke 36 dan memasuki fase pertumbuhan stasioner mulai jam ke 48. Pada fase stasioner konsentrasi residu gula
mendekati titik nol 1 gL seiring dengan laju pertumbuhan spesifik yang
menunjukkan angka nol. Pada saat laju pertumbuhan spesifik mendekati nol, bakteri sebagian besar tidak lagi memperbanyak diri, sehingga sumber karbon
pada media digunakan untuk pembentukan PHA di dalam sitoplasmanya. Keberadaan granula poli-HB di dalam sel bakteri dapat dengan mudah
diamati dengan menggunakan mikroskop fase kontras atau dengan mikroskop elektron. Ukuran diameter granula bervariasi antara 100 nm sampai 800 nm.
Komposisi dari granula tersebut terdiri dari 98 poli-HB dan 2 protein. Granula diselubungi oleh non-unit membran dengan ketebalan 2-4 nm
Lafferty et al. dalam Rehm dan Reed, 1988. Asam poli-3-hidroksibutirat poli-HB adalah polimer dengan sifat
optik aktif asam D--3-hidroksibutirat 3-hidroksibutanoat dengan struktur molekul seperti pada Gambar 2. Jumlah unit berulang n dipengaruhi oleh
beberapa faktor dan dapat mencapai nilai n=35.000. Contoh poli-HB dengan bobot molekul mencapai 3,39 x 10
6
telah ditemukan pada bakteri Azotobacter vinelandii dengan menggunakan klorofom atau diklorometan pada proses
ekstraksi dari massa sel Lafferty et al. dalam Rehm dan Reed, 1988.
HO OH
CH CH
3
CH
2
C O
O CH
CH
3
CH
2
C O
O CH
CH
3
CH
2
C O
n
Gambar 2. Struktur poli-3-hidroksibutirat Lafferty et al. dalam Rehm dan Reed, 1988
Keragaman nilai n dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut: • Metode isolasi ekstraksi granula poli-HB dari biomassa bakteri,
• Galur bakteri yang digunakan, • Jenis substrat yang digunakan,
• Waktu pemanenan sel dari kultur kurva pertumbuhan, • Faktor pembatas pertumbuhan,
• Kondisi kultivasi.
Poli-HB merupakan polimer linear, termasuk poliester alifatik dengan gugus oksigen karbonil berselang-seling dengan gugus metil di sepanjang
rantai polimer. Poli-HB dalam kondisi normal merupakan senyawa yang tidak reaktif, dengan kemungkinan reaksi kimia substitusi sangat sedikit Lafferty et
al. dalam Rehm dan Reed, 1988. Poli-HB memiliki densitas antara 1,171 sampai 1,260 gcm
3
. Nilai yang lebih kecil menunjukan struktur amorf sedangkan nilai densitas yang
lebih tinggi menunjukan struktur kristalin. Titik leleh Tm dari poli-HB berkisar antara 157 sampai 188
C. Poli-HB memiliki sifat termoplastik dan dapat diproses dengan ekstruksi ataupun dengan tekanan tinggi. Meskipun
demikian, di atas suhu 283 C poli-HB dapat terurai dengan cepat. Sifat fisik
mekaniknya seperti plastik konvensional terutama polipropilen jika dilihat dari nilai kuat tarik dan titik lelehnya. Tabel 1 memperlihatkan perbandingan
karakteristik antara polipropilen dan polihidroksibutirat. Sifat fisik dari poli- HB bergantung pada bobot molekul dan kemurniannya Lafferty et al. dalam
Rehm dan Reed, 1988. Tabel 1. Perbandingan karakteristik polipropilen dan polihidroksibutirat
PARAMETER PP PHB
Titik Leleh, Tm C 171-186
171-182 Suhu Transisi Kaca, Tg
C -15 5-10
Kristalinitas 65-70
65-80 Densitas g·cm
-1
0,905-0,94 1,23-1,5
Bobot Molekul, Mw 10
5
2,2-7,0 1,0-8,0
Distribusi Bobot Molekul 5-12
2,2-3 Modulus Kelenturan GPa
1,7 3,5-4,0
Kekuatan Tarik Mpa 39
40 Pemanjangan Hingga Putus
400 6-8
Resistensi Terhadap Ultraviolet Buruk
Baik Resistensi Terhadap Pelarut
Baik Buruk
Permeabilitas Oksigen cm
3
m
-2
d
-1
1700 45
Sumber: Atkinson dan Mavituna 1991.
Kelarutan poli-HB di dalam pelarut organik telah banyak dimanfaatkan untuk mengekstrak polimer dari biomassa sel baik basah maupun kering.
Senyawa karbonat siklik seperti etilen karbonat dan propilen karbonat, sebagaimana klorofom, piridin, campuran metilen klorida dan etanol, serta
1,2-dikloroetan masih banyak digunakan sebagai pelarut poli-HB sampai sekarang Lafferty et al. dalam Rehm dan Reed, 1988.
Poli- β-hidroksibutirat PHB dapat digunakan sebagai benang jahit
pada operasi bedah, peralatan rekaman karena sifat-sifat piezoelektriknya yang baik, substitusi poliester sintetis pada pembuatan serat, dan sebagai kemasan.
Selain itu, PHB juga dapat ditenun menyerupai bahan wol katun sehingga cocok digunakan sebagai popok bayi Brandl et al. dalam Babel dan
Steinbuchel, 2001.
C. PROSES PEMBUATAN BIOPLASTIK
