## PENGARUH MOLEKUL PENGARAH STRUKTUR TERHADAP MODIFIKASI ZEOLIT ALAM UNTUK PADATAN PENDUKUNG AMOBILSASI SEL KHAMIR
Phaffia rhodozyma

## Ahmad Suseno
Laboratorium Kimia Fisik Jurusan Kimia Universitas Diponegoro

## ABSTRAK
Modifikasi zeolit dari bahan zeolit alam telah dilakukan dengan menggunanakan pereaksi silika dan alumina berasal dari zeolit alam, tetrabutilamonium thiosianida sebagai kation basa organik, setil- trimetilammonium bromida sebagai molekul pengarah struktur dan natrium silikat untuk memperkaya kandungan silikat.
Tahapan modifikasi dilakukan melalui destruksi basa, hidrotermal, dilanjutkan dengan proses kalsinasi pada temperatur 550 o C. Hasil modifikasi selanjutnya dikarakterisasi mengguna-kan FTIR, XRD, serta pengukuran pori dengan metoda adsorpsi gas.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa padatan hasil modifikasi memiliki karakter mikrostruktur padatan  berpori  dengan  kristalinitas  tinggi  dan  ukuran  pori  rerata  sebesar  27Å.  Uji  aplikasi menunjukkan bahwa padatan hasil modifikasi dapat digunakan sebagai padatan pendukung amobilisasi sel Khamir Phaffia rhodozyma.
Kata kunci: zeolit alam, ukuran pori, molekul pengarah struktur

## PENDAHULUAN
Rekayasa material berpori dengan menggunakan senyawa-senyawa organo-kation sebagai molekul  pengarah  struktur  biasanya  dilakukan dengan  proses  hidrotermal  (Barrer,1982). Dengan  demikian  secara  teoritik  zeolit  alam yang semula mempunyai ukuran pori kecil akan dapat  dimodifikasi  sehingga  memiliki  ukuran pori yang lebih besar sebagaimana ukuran pori yang  dimiliki  oleh  zeolit  sintetis  (Beck,  1991; Beck, 1992; Vansant, 1997; Vansant,2000; Li et al ,2000).  Tetrametil-ammonium  (TMA)  dan Tetrabutil-ammonium (TBA) merupakan kation yang telah banyak digunakan dalam modifikasi pori  zeolit.  Konsep  pengarahan  dimaksudkan sebagai fenomena yang terjadi pada saat proses pembentukan  gel  atau  inti  dimana  molekul pengarah  struktur  akan  mengatur  kerangka tetrahedral ke bentuk bentuk  geometri tertentu. Setelah  kristalisasi  tercapai  molekul  pengarah struktur  akan  terperangkap  dalam  rongga, saluran  atau  lapisan  struktur  yang  terbentuk
(Vansant,  1990;  Zones,1994;  Ishizaki,  1998,Li et.al , 1998). Dalam rangka meningkatkan daya guna  zeolit  alam  indonesia  sebagai  material berpori  maka  dalam  penelitian  ini  akan dilakukan  modifikasi  pori  zeolit  dari  bahan zeolit  alam  Wonosari  untuk  selanjutnya digunakan  sebagai  padatan  pendukung  pada imobilisasi sel Khamir P. rhodozyma penghasil pigmen karotenoid penting dalam akuakultur.
Riset  ke  arah  pengembangan  ukuran  pori material  jenis  zeolit  dari  yang  berukuran  kecil menjadi lebih besar pada dasarnya didorong oleh upaya  untuk  lebih  meningkatkan  pemakaian bahan  anorganik  berukuran  pori  besar  oleh kalangan  industri  (Jacobsen,  2001;Abe et  al ., 1995).  Hasil  Penelitian  Hong-Ping  Lin  (2001) menunjukkan bahwa proses hidrotermal dengan penambahan molekul pengarah struktur amonium kuarterner pada material silika mampu meningkatkan porositasnya.

## METODE PENELITIAN
Bahan: Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah zeolit alam yang berasal dari daerah Wonosari yang lolos ayakan 200 mesh, Bahan- bahan kimia dengan kualitas p.a sebagai berikut: CTMABr (cethyl-trimethylammonium bromida),  NaOH,  Na 2 SiO 3 ,  HF,  H 2 SO 4 ,  HCl,
aceton,
TBASCN (tetrabuthyl ammoniumthiosianat).
Cara kerja: Diawali dengan pengambilan zeolit kering  kemudian  digerus  halus  dan  diayak menggunakan ayakan ukuran 200 mesh. Sampel zeolit alam selanjutnya direndam dalam larutan HF  1%,  sehingga  menjadi  zeolit  aktif.  Zeolit aktif  kemudian  didestruksi  dengan  padatan NaOH.  Hasil  destruksi  dilarutkan  dalam aquades,  kemudian  disentrifuse  dan dipisahkan sehingga  diperoleh  larutan  supernatan  sebagai sumber  silika  dan  alumina.  Sejumlah  garam Silikat  ditambah,  kemudian  diaduk.  Selajutnya direaksikan  dengan  molekul  pengarah  struktur TBASCN  0,2M  dan  ditambahkan  larutan surfaktan CTMABr 0,4M dengan tetap diaduk. Masing-masing  larutan  campuran  tersebut selanjutnya  diatur  pH  hingga  11  hingga terbentuk gel.
Gel  yang  telah  terbentuk  dimasukkan  dalam tabung teflon dengan tertutup rapat, dilanjutkan proses  hidrotermal  pada  temperatur  120 o C.
Padatan hasil hidrotermal kemudian dicuci, dan diteruskan  proses  kalsinasi  pada  suhu  550 o C.
Karakterisasi  dilakukan  dengan  mengukur geomteri mikrostruktur, kristalinitas dengan cara berturut-turut: metode adsorpsi gas, difraktometer sinar-X (XRD) Shimadzu X-2000 dengan  metode  bubuk.  Aktivitas  amobilisasi dilakukan secara adsorpsi dengan mencampurkan  kultur  cair  sel  khamir Phaffia rhodozyma pada zeolit alam maupun zeolit hasil modifikasi  pada  kondisi  suhu  kamar,  dengan
varisi waktu perendaman (penggojokan) dengan shaker.  Hasil  amobilisasi  disimpan  dalam freezer  dan  diuji  viabilitasnya  dengan  melihat pertumbuhannya dalam medium cair.

## HASIL DAN DISKUSI
Pada  bagian  ini  akan  dibahas  pengaruh penambahan  molekul  pengarah  struktur  TBA terhadap karakter zeolit termodifikasi. Selain itu pada  penelitian  ini  juga  ditambahkan  jenis surfaktan yang lebih panjang rantai hidrokarbonnya yaitu cethyltrimethyl ammonium  bromida  (CTMA)  dengan  harapan modifikasi  terhadap  pori  zeolit  menjadi  lebih signifikan  keberhasilannya.  Pada  bagian barikutnya  juga  akan  dibahas  aplikasi  zeolit alam  dan  zeolit  termodifikasi  pada  proses imobilisasi  sel  khamir Phaffia  rhodozyma . Proses  karakterisasi  akan  dilihat  pengaruh komposisi  molekul  pengarah  struktur  terhadap geometri mikropori yang terdiri atas ukuran pori, luas  permukaan,  volume  pori  dan  kristalinitas zeolit termodifikasi.

## Analisis Mineral Zeolit Alam
Pada  analisis  mineral  zeolit  alam  ini  akan dilakukan  dengan  tiga  metode  yaitu  analisis difraksi sinar-X, spektofotometri inframerah dan AAS.  Zeolit  yang  berasal  dari  Wonosari  ini diduga mengandung tiga tipe mineral zeolit yang dominan beberapa mineral zeolit lainnya sedikit termasuk mineral non zeolit lain yang berjumlah kecil.  hasil  analisis  disajikan  pada  gambar  1. Dari  difraktogram  material  tersebut  ditemukan adanya puncak tinggi pada daerah 2  = 25,58 o ; 27,65 o ;  13,39 o yang  merupakan  ciri  khas  dari kelompok  mordenit.  Pada  difraktogram  juga muncul  puncak-puncak  lain  yakni  pada 2  =22,17 o :  9,69 o ;  28,20 o yang  menandakan adanya  jenis  mineral  zeolit  lainnya  yaitu
klinoptilolit.  Difraktogram  juga  menunjukkan adanya ketidakmurnian ( impurities ) dari mineral non zeolit. Adanya puncak tinggi dan tajam pada 2  =26,54 o menunjukkan adanya kuarsa.
Berdasarkan  hasil  perhitungan  data-data difraktogram  XRD  berkitan  dengan  komposisi mineral  zeolit  alam  dari  perbandingan  luasan intensitas  tertinggi  masing-masing  mineral menunjukkan  bahwa  zeolit  alam  terbut  terdir dari: 52,15% mordenit; 39,82% Klinoptilolit dan 8,02% adalah kuarsa.
Gambar 1. Difraktogram zeolit alam wonosari M. Mordenit, C=klinoptilonit, Q=kuarsa
Karakterisasi  selanjutnya  dilakukan  dengan spektrofotometri  inframerah  untuk  mengetahui jenis vibrasi antar atom dalam material tanah ini. Hasil analisis ditampilkan pada gambar 2. Dari spektra inframerah, dapat dilihat adanya serapan kuat  pada  1047,3  cm -1 yang  menunjukkan adanya  vibrasi  ulur  ( stretching )  asimetri  dari internal tetrahedra baik dari Si-O, hal ini sesuai dengan apa yang kemukakan oleh Flanigen et.al (1971) dimana adanya serapan khas pada daerah 1250 – 950 cm -1 untuk zeolit baik alam mapun sintesis.
Gambar 2. Spektra inframerah zeolit alam Wonosari
Selain  itu  ada  serapan  pada  435  cm -1 yang menunjukkan  vibrasi  tekuk  (bending)  T-O, puncak tajam pada 794 cm -1 yang menunjukkan vibrasi  ulur  ( stretching )  simetri  pada exsternal linkage dan puncak 1637,5 cm -1 diduga sampel telah mengadsorpsi senyawa air. Adanya vibrasi pada 1047 cm -1 dan 794 cm -1 menurut Flanigen et.al (1971)  memperkuat  dugaan  bahwa  zeolit alam  Wonosari  tersebut  didominasi  oleh  jenis mordenit.Hasil  karakterisasi  dengan  AAS menunjukkan bahwa rasio Si/Al dari zeolit alam asal  Wonosari  sekitar  5,  hal  ini  didukung  pula oleh hasil-hasil penelitian sebelumnya (suseno,2003).  Adapun  penentuan  ukuran  pori, luas  permukaan  dan  volume  pori  zeolit  alam berturut-turut adalah 16,19 Å; 34,24 m 2 /g; 26,36 x10 -3 cm 3 /g.
Analisis Mikrostruktur Zeolit Hasil

## Modifikasi
Hasil  karakterisasi  yang  disajikan  pada  tabel.1 terlihat  adanya  perubahan  pada  tiap  parameter akibat  penambahan  molekul  pengarah  struktur TBA  (ZCBA)  Peningkatan  rerata  ukuran  pori terjadi hampir 70% dari rerata ukuran pori zeolit alam.  Demikian  juga  untuk  parameter  luas permukaan  dan  volume  pori  juga  mengalami peningkatan.
Tabel 1. Hasil analisa terhadap luas permukaan, volume pori dan jari-jari pori Nama Sampel Luas Permukaan (m 2 /g) Volume Pori (10 - 3 cc/g) Jari-Jari Rerata Pori (Å) Zeolit Alam 34,24 26,36 16,19 ZCBA 38,89 53,49 27,51
Fenomena transformasi terhadap modifikasi pori menjadi  lebih  dimengerti  lagi  dengan  analisis distribusi  pori  sebagaimana  terlihat  pada gambar.  3.  Hasil  karakterisasi  menggunakan TBA  menunjukkan  terjadi  perubahan  ukuran pori khususnya pada interval 30-40 Å dan 40-60 Å,  walaupun  belum  menghasilkan  material dengan  ukuran  pori  yang  lebih  seragam. Menurut  Kresge, et.al (1995)  untuk  membuat material berpori dengan ukuran mayoritas diatas 20Å diperlukan sumber silikat yang tinggi atau rasio  Si/Al  diatas  30,  sementara  hasil  analisis AAS terhadap zeolit hasil modifikasi rasio Si/Al hanya 6,89. Dengan demikian faktor pembentukan  pori  tidak  hanya  ditentukan  oleh adanya molekul pengarah saja tetapi sumber dan jumlah  silikat  yang  direaksikan  pada  sintesis tersebut merupakan variabel yang dipertimbangkan.

## Identifikasi Struktur
Dari  spektra  inframerah  tersebut,  dapat  dilihat adanya perbedaan serapan antara sampel (b) dan (c)  dimana pada  (b)  muncul serapan  kuat pada daerah  1488  cm -1 dan  948  cm -1 yang mencerminkan masih adanya rantai CH 2 - linier maupun  cabang  yang  berasal  dari  molekul senyawa  pengarah  atau  surfaktan  pada  proses sintesis.  Namun  setelah  di kalsinasi  sampel  (c) terlihat  serapan  pada  daerah  tersebut  menjadi hilang  atau  bebas  dari  molekul  senyawa pengarah. Berkaitan dengan pembentukan pori, maka  serapan khas  untuk pore  opening akan muncul  pada  daerah  420  cm -1 -  300  cm -1 (Flanigen,1971).
Gambar 3. Spektra inframerah (a) Zeolit alam (b) Zeolit antara (c) Zeolit Modifikasi
Untuk  ketiga  sampel  tersebut  atas  serapan muncul  pada  bilangan  gelombang  351cm -1 , dengan demikian semakin memperkuat analisis bahwa  zeolit  hasil  modifikasi  telah  menjadi suatu material berpori sebagaimana jenis zeolit- zeolit  yang  lain.  Identifikasi  struktur  zeolit dengan  infra  merah  adalah  memilih  rentang bilangan  gelombang  1300 – 300  cm -1 (Flanigen,1971). Pada rentang ini kristal alumina silika  mempunyai  spektra  yang  khas.  Zeolit- zeolit  hasil  modifikasi  dengan  penambahan molekul pengarah struktur memberikan serapan yang dapat di identifikasi. Serapan pada sekitar bilangan  gelombang  1078 – 1124  cm -1 sebagai vibrasi ulur asimetri dari eksternal dan internal tetrahedra, sedang serapan pada sekitar 777-795 cm -1 sebagai  ulur  simetri  dari  eksternal tetrahedra.  Serapan  pada  461-470  cm -1 yang merupakan  vibrasi  T-O  tekuk  dari  tetrahedra internal.  Penurunan  bilangan  gelombang tersebut  seiring  dengan  meningkatnya  rasio CTMA/Si,  karena  daerah  tersebut  merupakan vibrasi ulur asimetri dari eksternal dan internal tetrahedra  sehingga  diduga  telah  terjadi perubahan bentuk pori pada tahap sintesis. Hasil penelitian  lainnya  oleh  Zhao, et  al (1996) memperlihatkan  bahwa  konsentrasi  surfaktan akan  menentukan  bentuk  phase  surfaktan  yang akhirnya  berpengaruh  terhadap  bentuk  cetakan
pori  zeolit  yang  dibuat.  Adanya  serapan  khas dari  zeolit  modifikasi  pada  serapan  617  cm -1 yang  tidak  muncul  pada  zeolit  alam mencerminkan telah terjadi perubahan interaksi pada  sistem  tetrahedra.  Serapan  tersebut merupakan  ulur  simetri  dari  eksternal  dan internal tetrahedra pada zeolit. Hasil kajian awal terhadap  data-data  spektra  infra  merah  serta adanya  kesamaan  pada  beberapa  bilangan gelombang  yang  muncul  dari  beberapa  jenis zeolit  sintesis,  maka  yang  paling  mendekati adalah jenis zeolit Chabazite.
Hasil identifikasi struktur zeolit alam dan zeolit hasil  modifikasi  dapat  dianalisis  dengan memperhatikan  pola  difraksi  dari  difraktogram sinar-x zeolit tersebut seperti pada gambar 4.
Gambar 4 . Difraktogram (a) Zeolit alam (b) Zeolit terdistruksi (c) Zeolit modifikasi
Adapun krisitalinitas zeolit dapat diikuti dengan memperhatikan pergeseran sudut 2  , perubahan jarak antar bidang (d) dan kenaikan intensitas (I). Pemantauan terhadap 2  , d dan I merujuk pada
pada  daerah  sidik  jari  kristal  zeolit  alam.  Pada penelitian  ini  penyisipan  daerah  sidik  jari dilakukan  dengan  mengambil  secara  berturut turut  sudut  2  =  25,58 o ;22,17 o dan  27,66 o . Analisis terhadap data pada tabel diatas semakin memperkuat  bahwa  telah  terjadi  perubahan stuktur  kristal  antara  zeolit  alam  dan  zeolit modifikasi dengan molekul pengarah TBA.

## Uji Aktivitas Amobilisasi Sel
Prinsip penelitian ini adalah menggunakan zeolit sebagai  padatan  atau  matriks  dalam  rangka mencari  alternatif  teknik  preservasi  sel mikroorganisme  sebelum  digunakan  dalam fermentasi.
Hasil  amobilisasi  dengan  zeolit  alam  maupun zeolit termodifikasi  yang  terimobilisasi  dengan sel  khamir  dan  disimpan  selama  2  minggu menunjukkan  bahwa  sel  khamir  masih  dapat tumbuh  dan  menghasilkan  konsentrasi  berat kering  sel  sebagai  berikut  Tabel  2.  Dari percobaan  tersebut  memperlihatkan  bahwa waktu  penggojokan  mempengaruhi  terhadap hasil  pertumbuhan  sel  khamir  dengan  adanya perbedaan  konsentrasi  berat  kering  sel  antara tanpa  dan  digojok  selama  1  jam.  Hasil  ini membuktikan  bahwa  zeolit  alam  yang termodifikasi  dapat  digunakan  sebagai  padatan dalam  mendukung  sel  khamir,  sehingga  dapat dimanfaatkan  sebagai  alternatif  cara  preservasi sel  mikroorganisme  sebelum  digunakan  untuk fermentasi.
Tabel 3. Hasil pertumbuhan sel khamir P. rhodozyma (berat kering sel, g/L) selama inkubasi 6 hari setelah sel di amobilisasi dengan zeolit alam dan zeolit yang telah termodifikasi selama 2 minggu. Sampel Berat kering sel (g/L)
Waktu penggojokan 0 jam Waktu penggojokan 1 jam Zeolit alam 2,13 2,80 Zeolit termodifikasi 1,60 2,40

## KESIMPULAN
Metode penambahan molekul pengarah struktur menggunakan  TMA,  TBA  dan  CTMA  dapat menghasilkan  zeolit  baru  dengan  kekristalan tinggi  dan  ukuran  pori  yang  bertambah  hingga 70%  dari  ukuran  pori  semula  serta  mampu berfungsi sebagai padatan pendukung imobilisasi.

## DAFTAR PUSTAKA
Abe,
T.,Tochibana, Y.,Uenatsu, T.and Inamoto,M.,1995, Preparation and charactrization  of  Fe 2 O 3 ,Nanoparticle  in Mesopore Silicate, J.Chem.Soc.Chem.Com .,1617- 1618.
Barrer, M.M., 1982, Hydrothemal chemistry of Zeolite, Academic Press, Tokyo.
Beck, J.S., Vartuli, J.C., Roth, W.J., Ieonowicz, M.E.,  Kresge,  C.T.,  Scmiitt,  K.D.,  Chu, C.T-W,  Olson,  D.H.,  Shepparod,  E.W., Mc  cullen,  S.B.,  Higgins,  J.B.  and
Schlenken, J.L., 1992, A New Family of Mesopore Molucular Siseves Prepared in the Liquid Criystal Template,
J.Am.Chem.Soc , 144, 10834-10843
Beck, J.S., US Patent No.5 057 296, Oct,15,1991
Flegel,T.W. , et.al ., 1982, Immobilzed Mocrobial Enzymes  and  Cells, Proceeding  of Regional Workshop , Mahidol University, Bangkok, Thailand.
Flanigen,  E.M.,Khatami,  H  and  Szymanski,H, 1971, Infrared  Structural  Studies  of Zeolite  Framework ,  Union  Carbide
Coorp,  Linde  Division  laboratory,  New York
Ishizaki, K. Komareni, S., and and Nanko, M.,
1998, Porous Material Process
Tecnologyand applications Kluwer Academic Publissher, Netherlands
Hong-Ping  Lin,  Chung,  Y.M.,Liu,S.B.,  tang, C.Y.J., Micro and Mesoporous Materials.
200 1 , 44, pp 129-137
Jacobsen,  C.J.H.,  Madsen,  C,  Houzvieka,  J., Mesopore  Zeolite  Singe  Cristals, J.Am. Chem. Soc , 122, 7116-7117
Kresge, C.T.,Leonowicz,M.E.,Roth,W.J.,Vartuli,J .C. and Beck,J.S.,1992, Nature , 359,710.
Li,  Zhohui,  Browman,  R.S.,  1998,  Sorption  of Percloroethylena  by  surfactant-modified zeolite  controlld  by  surfactant  loading; Envirommental Science & Tecnology, 32,
2278
Li,  Zhohui,  Burt,  T.,  Browman,  R.S.,2000,
Sorption  of  Ionizable  organic  solutes  by Surfactant-Modified Zeolite, Environmental Science & Tecnology , 34,
2756
Suseno, A., Arnelli, 2003, Modifikasi pori zeolit alam  menggunakan  lauril  benzil  dimetil ammonium  klorida  sebagai  molekul pengarah, Laporan
Penelitian ,FMIPA UNDIP, Semarang
Vansant,  E.F.,1997,Molecular  Enginering  of Oxide  and  Zeolites, J.Mol.Catal,  A Chemical , 115,179
Vansant, E.F., 2000, Chemical Modification of Oxide  Surface,  in  Firsty  Indonesian  , Seminar  on  Zeolite,  entitlr  Zeolite  for Indonesia Society Welfare, on May 2000, The  Indonesian  Zeolite  Assosciation, Yogyakarta
Vansant,  E.F.,  1990,Pore  Size  Engineering  in Zeolite,J  W  and  Sons,Chicester,  New York.
Zones, S.I., Nakagawa, Y., and Rosenthal, J.W., 1994, Factors Afeefcting the Selectivities of  Organo-cation  Guest  Moleculs  in  the Synthesis of Hight silioca Zeolites, in the Synthesis of Microporous Materials, Vol II  Eds  M.I.,  Occelli  and  H.E.  Robson  , Van Nostrand Reinhold, New York.
Zhao,  X.S.,  Lu,  G.Q.,  Millar,  G.J.,  1996, Advances in Mesoporous Molecular Sieve MCM-41 , Ind.Eng.Chem.Res, 1996,35,2075-2090