Pengembangan Bahan Plastik Biodegradabel Berbahan baku Pati Tropis

Hardaning Pranamuda
Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Jl. M. H. Thamrin no. 8, Jakarta 10340

Abstrak :

Sampah plastik menjadi masalah lingkungan berskala gobal karena plastik tidak dapat terombak dalam lingkungan. Pengembangan bahan plastik biodegradabel merupakan salah satu alternatif untuk memecahkan masalah ini. Di beberapa negara maju sudah ada yang diproduksi secara komersial, seperti poli (hidroksi alkanoat) (PHA), poli (e-kaprolakton) (PCL), poli (butilen suksinat) (PBS), dan poli asam laktat (PLA). Pengembangan bahan plastik biodegradabel menggunakan bahan alam terbarui (renewable resources) sangat diharapkan. Poli (asam laktat) (PLA) menjadi kandidat yang menjanjikan, karena PLA dapat diproduksi dari bahan alam terbarui seperti pati-patian dan selulosa melalui ferementasi asam laktat. Selain daripada itu PLA mempunyai sifat yang mirip dengan plastik konvensional. Indonesia kaya akan sumberdaya alam pati-patian. Pengembangan biodegradabel plastik yang tengah kami lakukan adalah pemanfaatan pati-patian tropis (sagu dan tapioka) melalui teknik blending pelet plastik dan pati, modifikasi pati dan sintesa kimiawi poli asam. Pengujian plastik biodegradabel dilakukan untuk mengetahui kemampuan lingkungan (tanah) Indonesia untuk merombak plastik biodegradabel.

Pendahuluan

Penduduk dunia yang berjumlah 3 milyar di tahun 1960 meningkat 2 kali lipat menjadi lebih dari 6 milyar hanya dalam kurun waktu 40 tahun. Peningkatan jumlah penduduk ditambah dengan penggunaan sumberdaya alam dan energi secara besar-besaran berakibat terciptanya sampah yang menumpuk dalam jumlah sangat besar. Diantara sampah tersebut, sampah plastik merupakan sampah yang sulit dalam penanganannya sehingga menyebabkan masalah lingkungan berskala global. Plastik banyak dipakai dalam kehidupan sehari-hari, karena mempunyai keunggulan-keunggulan seperti kuat, ringan dan stabil, namun sulit terombak oleh mikroorganisme dalam lingkungan sehingga menyebabkan masalah lingkungan yang sangat serius. Dalam memecahkan masalah sampah plastik dilakukan beberapa pendekatan seperti daur ulang, teknologi pengolahan sampah plastik dan pengembangan bahan plastik baru yang dapat hancur dan terurai dalam lingkungan yang dikenal dengan sebutan plastik biodegradabel. Seiring dengan meningkatnya kesadaran untuk pelestarian lingkungan, kebutuhan bahan plastik biodegradabel mengalami peningkatan dari tahun ke tahun. Gambar 1 memperlihatkan proyeksi kebutuhan plastik biodegradabel hingga tahun 2010 yang dikeluarkan oleh Japan Biodegradable Plastik Society. Di tahun 1999, produksi plastik biodegradabel hanya sebesar 2500 ton, yang merupakan 1/ 10.000 dari total produksi bahan plastik sintetis. Pada tahun 2010, diproyeksikan produksi plastik biodegradabel akan mencapai 1.200.000 ton atau menjadi 1/ 10 dari total produksi bahan plastik. Industri plastik biodegradabel akan berkembang menjadi industri besar di masa yang akan datang.

¡¡

Plastik biodegradabel dan metode pengujiannya

(1) Plastik biodegradabel

Plastik biodegradabel adalah plastik yang dapat digunakan layaknya seperti plastik konvensional, namun akan hancur terurai oleh aktivitas mikroorganisme menjadi hasil akhir air dan gas karbondioksida setelah habis terpakai dan dibuang ke lingkungan. Karena sifatnya yang dapat kembali ke alam, plastik biodegradabel merupakan bahan plastik yang ramah terhadap lingkungan. Di Jepang telah disepakati penggunaan nama plastik hijau (GURIINPURA) untuk plastik biodegradabel.

Gambar 1 Proyeksi produksi plastik biodegradabel (Sumber laporan BPS, 1999)

Berdasarkan bahan baku yang dipakai, plastik biodegradabel dikelompokkan menjadi 2 kelompok, yaitu kelompok dengan bahan baku petrokimia dan kelompok dengan bahan baku produk tanaman seperti pati dan selulosa. Yang pertama adalah penggunaan sumberdaya alam yang tidak terbarui (non-renewable resources), sedangkan yang kedua adalah sumber daya alam terbarui (renewable resources). Saat ini polimer plastik biodegradabel yang telah diproduksi adalah kebanyakan dari polimer jenis poliester alifatik. Gambar 2 menunjukkan representatif dari polimer plastik biodegradabel yang sudah diproduksi skala industri.

1. Poli (e-kaprolakton) (PCL) : PCL adalah polimer hasil sintesa kimia menggunakan bahan baku minyak bumi. PCL mempunyai sifat biodegradabilitas yang tinggi, dapat dihidrolisa oleh enzim lipase dan esterase yang tersebar luas pada tanaman, hewan dan mikroorganisme. Namun titik lelehnya yang rendah, T_m =60^oC, menyebabkan bidang aplikasi PCL menjadi terbatas.
2. Poli (ß-hidroksi butirat) (PHB) : PHB adalah poliester yang diproduksi sebagai cadangan makanan oleh mikroorganisme seperti Alcaligenes (Ralstonia) eutrophus, Bacillus megaterium dsb. PHB mempunyai titik leleh yang tinggi (T_m = 180^o C), tetapi karena kristalinitasnya yang tinggi menyebabkan sifat mekanik dari PHB kurang baik. Kopolimer poli (b-hidroksi butirat-ko-valerat) (PHB/ V) merupakan kopolimer hasil usaha perbaikan sifat kristalinitas dari PHB. Dalam majalah Scientific America edisi August 2000, Tillman U Gerngros melakukan kajian tentang tingkat keramahan plastik biodegradabel terhadap lingkungan. Dia menyatakan bahwa untuk memproduksi PHB dibutuhkan total energi yang jauh lebih besar dibanding dengan energi yang dibutuhkan untuk memproduksi plastik konvensional seperti polietilen dan polietilen tereftalat. Kenyataannya memang beberapa perusahaan yang memproduksi PHB menghentikan kegiatan produksinya, disebabkan karena mahalnya biaya produksi yang dibutuhkan.
3. Poli (butilena suksinat) (PBS): PBS mempunyai titik leleh yang setara dengan plastik konvensional polietilen, yaitu T_m =113^o C. Kemampuan enzim lipase dalam menghidrolisa PBS relatif lebih rendah dibandingkan dengan kemampuannya menghidrolisa PCL. Untuk meningkatkan sifat biodegradabilitas PBS, dilakukan kopolimerisasi membentuk poli (butilen suksinat-ko-adipat) (PBS/A). PBS dan PBS/ A memiliki sifat ketahanan hidrolisa kimiawi yang rendah, sehingga tidak dapat diaplikasikan untuk bidang aplikasi lingkungan lembab. Kopolimerisasi PBS dengan poli karbonat menghasilkan produk poliester karbonat yang memiliki sifat biodegradabilitas, ketahanan hidrolisa kimiawi dan titik leleh yang tinggi.
4. Poli asam laktat (PLA) : PLA merupakan poliester yang dapat diproduksi menggunakan bahan baku sumberdaya alam terbarui seperti pati dan selulosa melaui fermentasi asam laktat. Polimerisasi secara kimiawi untuk menghasilkan PLA dari asam laktat dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu secara langsung dari asam laktat dan secara tidak langsung melalui pembentukan laktida (dimer asam laktat) terlebih dahulu, dan diikuti dengan polimerisasi menjadi PLA. PLA mempunyai titik leleh yang tinggi sekitar 175^o C, dan dapat dibuat menjadi lembaran film yang transparans. Perusahaan-perusahaan besar dunia mulai bergerak untuk memproduksi PLA, seperti Cargill-Dow Chemicals Co. yang akan memproduksi PLA dengan skala 140.000 ton/ tahun dengan memanfaatkan pati jagung. Sedangkan di Jepang, perusahaan Shimadzu Co. dan Mitsui Chemicals Co. juga memiliki plant produksi PLA. Perusahaan Toyota kabarnya juga akan mendirikan plant industri PLA di Indonesia dengan memanfaatkan pati ubi jalar. Tampaknya PLA akan menjadi primadona plastik biodegradabel di masa datang.

Gambar 2 Plastik biodegradabel dari golongan poliester alifatik

(2) Sifat biodegradabilitas

Pengujian sifat biodegradabilitas bahan plastik dapat dilakukan menggunakan enzim,mikroorganisme dan uji penguburan. Lembaga standarisasi internasional (ISO) telah mengeluarkan metode standar pengujian sifat biodegradabilitas bahan plastik sebagai berikut :

1. ISO 14851 : Penentuan biodegradabilitas aerobik final dari bahan plastik dalam media cair - Metode pengukuran kebutuhan oksigen dalam respirometer tertutup
2. (b) ISO 14852 : Penentuan biodegradabilitas aerobik final dari bahan plastik dalam media cair - Metode analisa karbondioksida yang dihasilkan.
3. (c) ISO 14855 : Penentuan biodegradabilitas aerobik final dan disintegrasi dari bahan plastik dalam kondisi komposting terkendali - Metode analisa karbondioksida yang dihasilkan.

Pati tropis untuk bahan baku plastik biodegradabel

Indonesia kaya akan sumberdaya alam, diantaranya pati-patian (tapioka dan pati sagu) yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan plastik biodegradabel. Pengkajian pemanfaatan sumberdaya pati Indonesia untuk produksi plastik biodegradabel dapat dilakukan melalui 3 cara yaitu :

(1) Pencampuran (blending) antara polimer plastik dengan pati

Pencampuran dilakukan dengan menggunakan extruder atau dalam mixer berkecepatan tinggi (high speed mixer) yang dilengkapi pemanas untuk melelehkan polimer plastik. Plastik yang digunakan dapat berupa plastik biodegradabel (PCL, PBS, atau PLA) maupun plastik konvensional (polietilen). Sedangkan pati yang digunakan dapat berupa pati mentah berbentuk granular maupun pati yang sudah tergelatinisasi. Sifat mekanik dari plastik biodegradabel yang dihasilkan tergantung dari keadaan penyebaran pati dalam fase plastik, dimana bila pati tersebar merata dalam ukuran mikron dalam fase plastik, maka produk plastik biodegradabel yang didapat akan mempunyai sifat mekanik yang baik. Tabel 1 menunjukkan sifat mekanik plastik biodegradabel dari campuran antara polimer plastik dengan pati tropis (pati sagu dan tapioka). Sifat biodegradabilitas dari plastik biodegradabel berbasiskan pati sangat tergantung dari rasio kandungan patinya. Semakin besar kandungan patinya, maka semakin tinggi tingkat biodegradabilitasnya. Gambar 3 menunjukkan perubahan morfologis dari sampel lempengan setebal 0.5 mm setelah uji penguburan selama 0, 1, 2, 4 dan 6 bulan. Terlihat bahwa semakin tinggi kandungan pati dalam campuran PCL/pati, semakin mudah terdegradasi.

Tabel 1 Sifat mekanik plastik biodegradabel berbasiskan pati tropis

Campuran plastik dengan pati (50/50 %berat)	Kekuatan tarik (MPa)	Elongasi (%)
PCL / Tapioka	7.9 ¡Þ 0.7	277 ¡Þ 34
PCL / Sagu	7.9 ¡Þ 1.1	317 ¡Þ 28
PBS / Tapioka	12.3 ¡Þ 0.8	65 ¡Þ 14
PBS / Sagu	16.4 ¡Þ 5.0	59 ¡Þ 9
PLA / Tapioka	16.4 ¡Þ 5.0	1 ¡Þ 0
PLA / Sagu	24.1 ¡Þ 2.8	2 ¡Þ 1
Pembanding
Produk komersial NOVON	10.7 ¡Þ 0.4	11 ¡Þ 1
Produk komersial MATER BI	7.8 ¡Þ 0.6	8 ¡Þ 1

Gambar 3. Hasil penguburan plastik biodegradabel campuran PCL dengan pati tropis

(2) Modifikasi kimiawi pati

Untuk menambahkan sifat plastisitas pada pati, metode grafting sering digunakan. Sifat biodegradabilitas dari produk plastik yang dihasilkan tergantung daripada jenis polimer yang dicangkokkkan pada pati. Jika polimer yang dicangkokkan adalah polimer yang bersifat biodegradabel, maka produk yang dihasilkan juga akan bersifat biodegradabel. Namun demikian, biasanya sifat biodegradabilitas pati akan berkurang atau bahkan hilang sama sekali dengan proses modifikasi kimiawi. Tabel 2 menunjukkkan hasil grafting antara pati sagu dan tapioka dengan poli metil akrilat.

Tabel 2 Grafting antara pati sagu dan tapioka dengan metil akrilat

Pati	PMA / pati (g)	% add-on	% weight of PMA homopolimer	Pati yang ter-graft dengan PMA		% konversi
				% weight	M n
Sagu	18.8	46.8	9.6	40.8	4.25 x 105	70.6
Tapioka	16.5	31.7	31.7	13.8	1.10 x 106	50.0

Kondisi reaksi : Pati sebanyak 10 g direaksikan dengan 15 g metil akrilat dengan katalis Ceric ammonium nitrat sebesar 1 x 10 ^-3 M

(3) Penggunaan pati sebagai bahan baku fermentasi menghasilkan monomer / polimer plastik biodegradabel

Pati dapat dipakai sebagai bahan baku fermentasi untuk menghasilkan asam laktat (monomer dari PLA), 1,4-butanediol (monomer dari PBS) atau poliester mikroba (PHB) atau biopolimer lainnya seperti pullulan.

Biodegradabilitas plastik biodegradabel di lingkungan Indonesia

Sampah plastik menimbulkan masalah lingkungan karena ketidakmampuan lingkungan (dalam hal ini mikroorganisme) dalam merombak dan menguraikan plastik. Informasi mengenai kemampuan lingkungan dalam menerima (merombak, menguraikan untuk kemudian masuk kedalam siklus materi) plastik biodegradabel adalah sangat penting untuk mencegah hal-hal negatif yang mungkin akan timbul akibat meluasnya pemakaian plastik biodegradabel. Selain daripada pengkajian produksi plastik biodegradabel, kami juga melakukan evaluasi mengenai biodegradabilitas plastik biodegradabel di Indonesia. Evaluasi meliputi uji penguburan dan skrining mikroorganisme yang berkemampuan menguraikan plastik biodegradabel. Gambar 4 menunjukkan hasil penguburan plastik biodegradabel yang dilakukan di daerah Serpong. Terlihat bahwa laju degradasi tiap-tiap polimer plastik berbeda satu sama lain. PHB dan PBS terdegradasi relatif lebih cepat, sedangkan laju degradasi PLA terlihat sangat lambat. Degradasi plastik di dalam tanah bukan hanya disebabkan oleh aktivitas mikroorganisme tetapi juga oleh faktor-faktor fisik dan kimiawi lain seperti kelembaban dan keasaman tanah.

Gambar 4. Hasil Uji penguburan plastik biodegradabel di daerah Serpong

Skrining mikroorganisme dilakukan untuk mengetahui penyebaran mikroorganisme pengurai plastik dan juga rasio/ perbandingannya terhadap total mikroorganisme. Metode zona terang (clear zone) diaplikasikan untuk mengetahui penyebaran mikroorganisme pengurai polimer plastik. Gambar 5 menunjukkan koloni yang tumbuh pada media agar berisikan kaldu nutrisi (nutrient broth) (Gambar 5 A) dan media agar beremulsikan polimer plastik PCL (Gambar 5 B). Hasil pengamatan menunjukkkan tidak adanya pengaruh negatif terhadap pertumbuhan koloni mikroorganisme yang disebabkan karena keberadaan polimer plastik. Terlihat bahwa jumlah koloni yang tumbuh (visible colony) pada media NB maupun PCL berada dalam kisaran 10⁷ -10⁸. Zona terang yang terbentuk di sekeliling koloni pada media PCL, menunjukkan bahwa koloni tersebut berkemampuan mengeluarkan enzim yang dapat menguraikan polimer plastik PCL.

Gambar 5. Koloni yang tumbuh pada media kaya nutrisi (A) dan media beremulsikan PCL (B)

Gambar 6 menunjukkan hubungan antara jumlah total koloni dengan jumlah zona terang yang terbentuk pada media agar beremulsikan polimer plastik PCL, PHB, PBS dan PLA. Dari gambar terlihat bahwa dari 20 sampel tanah yang dipakai, seluruh sampel menunjukan adanya koloni yang dapat mernguraikan PCL, PHB dan PBS, namun hanya 2 sampel yang menunjukkan adanya koloni yang dapat menguraikan PLA. Ini menunjukkan bahwa penyebaran mikroorganisme pengurai PLA adalah lebih sempit dibandingkan dengan penyebaran mikroorganisme pengurai poliester lainnya. Kemudian dari jumlah zona terang yang terbentuk pada media beremulsikan PLA, terlihat bahwa jumlah mikroorganisme pengurai PLA sangat sedikit yaitu sekitar 1.0% dari jumlah total mikroorganisme. Hasil skrining di atas mendukung hasil penguburan plastik film PLA (Gambar 4), dimana laju degradasi plastik film PLA lebih lambat dibandingkan dengan plastik lainnya.

Gambar 6. Hubungan antara jumlah total koloni dengan zona terang yang tumbuh pada media agar beremulsikan polimer plastik biodegradabel

Kesimpulan

Pengembangan bahan plastik biodegradabel merupakan alternatif untuk memecahkan masalah penanganan sampah plastik. Produksi bahan plastik biodegradabel mengalami peningkatan seiring dengan meningkatnya kesadaran akan pentingnya kelestarian lingkungan. Pendayagunaan pati tropis seperti sagu dan tapioka untuk bahan baku plastik biodegradabel bukan hanya membuka peluang terciptanya industri baru, tetapi juga memberikan andil dalam penyelesaian masalah penanganan sampah plastik di Indonesia. Informasi mengenai kemampuan lingkungan dalam menerima polimer plastik baru sangat diperlukan untuk mencegah hal-hal negatif yang mungkin akan timbul dengan meluasnya pemakaian plastik biodegradabel di masa datang.

disadur dari : shantybio.transdigit.com