JKPK (JURNAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA) , Vol. 2, No. 3, Desember 2017 Program Studi Pendidikan Kimia  Universitas Sebelas Maret https://jurnal.uns.ac.id/jkpk
Hal. 133-138 ISSN 2503-4146 ISSN 2503-4154 (online)

## PENINGKATAN EFISIENSI PERMEASI ETANOL MENGGUNAKAN MEMBRAN POLI(VINIL ALKOHOL) TERMODIFIKASI

## Improving Ethanol Permeation Efficiency Using Modified Poly(Vinyl Alcohol) Membrane
Ulfa Andayani 1,* , Jumina 2 , Dwi Siswanta 2 , dan Diah Mardiana 1
1 Jurusan Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Brawijaya Malang, Jawa Timur, Indonesia
2 Jurusan Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta, Indonesia
* Untuk korespondensi: e-mail: ulfaandayani@gmail.com
Received: June 22, 2017 Accepted: December 06, 2017 Online Published: December 31, 2017
DOI: 10.20961/jkpk.v2i3.11874

## ABSTRAK
Telah  dilakukan  penelitian  mengenai  permeasi  etanol  menggunakan  membran  paduan poli(vinil  alkohol)-pektin  yang  terikat  silang.  Poli(vinil  alkohol)  atau  PVA  digunakan  sebagai membran  dasar,  sedangkan  biopolimer  yang  digunakan  adalah  pektin.  Gluteraldehida  (GA) ditambahkan sebagai agen pengikat silang. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan  efisiensi permeasi etanol menggunakan membran PVA yang termodifikasi dengan pektin dan glutaraldehida dengan  cara  mencari  komposisi  optimum  pada  pembuatan  membran  paduan  PVA-pektin-GA. Membran  optimum  dipilih  berdasarkan  membran  dengan  nilai  fluks  tertinggi.  Penelitian  ini mempunyai  tahapan  optimasi  membran  dengan  mempelajari  pengaruh  konsentrasi  PVA, penambahan GA dan penambahan pektin terhadap permeasi etanol. Optimasi membran dipelajari berdasarkan kecepatan permeasi (nilai fluks) dari sampel etanol saat melewati membran. Membran dengan  nilai  fluks  tertinggi  dipilih  sebagai  membran  optimum.  Hasil  penelitian  menghasilkan  2 kesimpulan:  (1)  Penambahan  agen  pengikat  silang  mengakibatkan  nilai  fluks  menurun  tetapi stabilitas  membran  meningkat.  Nilai  fluks  tertinggi  dihasilkan  dari  membran  yang  terikat  silang dengan  jumlah  ikatan  silang  (n)  sebesar  120;  (2)  Penambahan  pektin  mengakibatkan  nilai  fluks meningkat tetapi stabilitas membran menurun. Nilai fluks tertinggi dihasilkan dari membran paduan PVA-pektin-GA dengan komposisi optimum pada perbandingan mol PVA : pektin = (1:2).
Kata kunci: poli(vinil alkohol), pektin, gluteraldehida, etanol, permeasi

## ABSTRACT
This  research  is  about  using  blended  membrane  poly(vinyl  alcohol)-pectin  that  are crosslinked by glutareldehide for ethanol permeation. Poly(vinyl alcohol) or PVA is used as the base  membrane,  pectin  as  biopolymers  and  gluteraldehida  (GA)  as  a  crosslinker  agent.  The objective  of  this  study  is  improving  the  efficiency  of  ethanol  permeation  using  blended  PVA membrane  with  pectin  and  glutaraldehyde  to  determine  the  optimum  composition  of  blended membrane  PVA-pectin-GA.  Membrane  with  optimum  composition  is  selected  based  on  the highest  flux  value.  Membrane  optimization  was  obtained  by  studying  the  effect  of  the  PVA concentration,  the  addition  of  GA  and  pectin.  Moreover,  optimization  was  studied  based  on
134 Ulfa Andayani et al. , Peningkatan Efisiensi Permeasi Etanol ..........
membrane permeation rate (flux) of ethanol that passes through the membrane. Membranes with high flux value were selected as the optimum membrane. The results conclude: (1) Addition of gluteraldehide  decreased  flux  values  but  increased  membrane stability.  The  highest  flux  value generated from the blended membrane that has cross-linker number (n) 120; (2) Addition of pectin increased flux value but decreased membrane stability. The highest flux value was obtained from blended membrane of PVA-pectin-GA with the optimum composition on mole ratio of PVA: pectin = (1: 2).
Keywords : poly(vinyl alcohol), pectin, gluteraldehida, ethanol, permeation

## PENDAHULUAN
Indonesia sebagai negara agraris,
memiliki limbah pertanian yang potensial untuk dikelola menjadi etanol, seperti molase, nira, jerami padi, jagung, dan kentang. Kandungan glukosa yang cukup
tinggi dalam limbah pertanian dapat didegradasi menjadi etanol atau pelarut –
pelarut organik lain. Proses pembuatan etanol dari limbah pertanian dilakukan dengan metode fermentasi. Metode fer- mentasi telah dikembangkan dalam dunia industri saat ini, karena kondisi operasi yang aman (suhu yang diperlukan adalah suhu ruangan), tidak memerlukan tekanan operasi yang tinggi (tekanan atmosfer) dan bahan baku yang berlimpah. Besarnya konsentrasi produk tergantung dari bahan nabati/ pertanian, mikroorganisme dan metode fermentasi yang digunakan [1].  Fermentasi bahan nabati atau pertanian umumnya memiliki konsentrasi produk berkisar 5 –10%
(v/v), sedangkan fermentasi molase pada industri etanol dapat menghasilkan produk dengan konsentrasi 8 –12%. Metode fermentasi secara batch kurang efisien karena membutuhkan waktu operasi keseluruhan yang lama. Peningkatan efisiensi fermentasi dapat  dilakukan  antara lain: mengurangi pengaruh negatif dari
produk dengan cara pengurangan produk secara konstan selama proses fermentasi, sehingga fermentasi berjalan secara kontinyu [2]. Pada sistem kontinyu , pengaliran substrat dan pengambilan produk dilakukan
secara terus menerus (kontinyu) setiap saat setelah diperoleh konsentrasi produk
maksimal atau saat substrat pembatasnya telah mencapai konsentrasi yang hampir
tetap atau setimbang [3]. Salah satu cara  untuk mengambil produk secara kontinyu adalah dengan mengalirkan produk melalui suatu membran yang bersifat permeable terhadap produk
yang akan dipisahkan dari sistem fermentasi tersebut. Teknologi membran mempunyai kelebihan antara lain kemudahan peng- operasian, ramah lingkungan, ukuran alat yang relatif lebih kecil, memiliki karakteristik kemampuan pemisahan yang tinggi, dan hemat energi. Poli(vinil –alkohol) atau PVA merupakan salah satu polimer yang dapat digunakan sebagai membran untuk pemisah- an atau pemurnian suatu pelarut organik.
Karena sifat hidrofilik PVA yang tinggi, maka perlu dilakukan modifikasi PVA dengan cara melakukan  ikat  silang,  sehingga  menghasil- kan  membrane  dengan  derajat kristalinitas
tinggi dan daya penggembungan rendah [4].
Reagen yang digunakan sebagai pengikat silang dalam  penelitian  ini  adalah  glutaral- dehida.
Metode lain yang telah dikembang- kan untuk meningkatkan sifat karakteristik membran adalah metode blending. Pektin merupakan jenis polimer alam bersifat hidrofilik yang dapat ditambahkan dalam suatu polimer sintetis. Pektin merupakan polimer linier dari asam D –galakturonat dengan ikatan 1,4 –α–glikosidik dan memiliki gugus karboksilat dengan berbagai derajat metilasi residu asam karboksilat. Pektin memiliki kemampuan yang baik untuk membentuk gel [5]. Keberadaan pektin dalam campuran membran ini diharapkan memper-
banyak gugus fungsi karboksilat dan hidroksida, yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan sampel, sehingga ke- cepatan permeasi dapat ditingkatkan.
Berawal dari informasi tersebut maka timbul  suatu  gagasan  untuk  melakukan penelitian  tentang  permeasi  etanol  yang dapat  digunakan  sebagai  alternatif  energi terbarukan.  Permeasi  ABE  hasil  fermentasi secara  kontinyu  dipelajari  menggunakan membran  campuran  PVA –biopolimer  yang terikat  silang.  Biopolimer  yang  digunakan adalah  pektin  dengan  pengikat  silang glutaraldehida.

## METODE PENELITIAN
Bahan –bahan kimia yang digunakan
dalam penelitian ini berkualitas pure analisys produksi Merck (kecuali yang disebutkan khusus): etanol, NaOH, akuabides , pektin
BM : 20 –80 kDa, poli vinil alkohol (PVA) BM : 15 –22 kDa, glutaraldehida, dan kertas saring. Alat –alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan gelas laboratorium, neraca analitik (RADWAG WAS 220/C/2), pengukur ketebalan membran merk Mitutoyo 7301, refraktometer merk A. Kruss Optronic 881286, dan satu set
rangkaian alat transpor sampel berupa wadah  untuk  permeasi dan pengaduk magnet.
Peralatan permeasi yang digunakan
adalah seperangkat sel permeasi dan pengaduk  magnetik.  Larutan sampel etanol 20% dimasukkan ke dalam fasa umpan,
sedangkan pada fasa penerima diisi dengan akuabides. Permeasi  dilakukan  pada  suhu kamar dengan pengadukan magnet.
Pengadukan  dilakukan hingga tercapai kesetimbangan konsentrasi sampel antara fasa umpan dan fasa penerima. Pemantauan jumlah sampel yang terpermeasi dilakukan dengan cara mengambil sampel pada masing –masing fasa dianalisis kadarnya
menggunakan refraktometer. Optimasi membran dipelajari ber- dasarkan  nilai  fluks  dari  masing –masing sampel  selama  melewati  membran  hingga tercapai  kesetimbangan  konsentrasi  pada kedua  fasa.  Membran  yang  menghasilkan nilai  fluks  tertinggi dipilih sebagai membran optimum.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Komposisi  optimum  dipelajari  untuk mendapatkan membran paduan yang mempunyai nilai fluks tertinggi untuk permeasi  etanol.  Tahapan  ini  meliputi:
pemilihan konsentrasi PVA, pemilihan jumlah monomer  yang  terikat  silang  ( number  of crosslink /n),  pemilihan  komposisi  optimum membran  paduan  PVA-biopolimer  (pektin/ NaAlg)-agen  pengikat  silang,  dan  pengaruh ketebalan membran.

## Gambar 1. Sel Permeasi
1. Konsentrasi PVA
Ketebalan membran merupakan karakteristik yang signifikan yang memberi- kan efek negatif terhadap nilai fluks, artinya bahwa nilai fluks akan berkurang sebagai fungsi dari semakin tebalnya membran [6]. Pemilihan konsentrasi PVA bertujuan
mengetahui konsentrasi minimal PVA yang dapat membentuk membran dan mampu menghasilkan nilai fluks permeasi etanol tertinggi. Konsentrasi PVA yang dipelajari berkisar 2 –5%. Nilai fluks hasil permeasi
etanol pada berbagai konsentrasi PVA
disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Pengaruh konsentrasi PVA terhadap nilai fluks permeasi etanol [PVA] Fluks (L/m 2 .jam) 2 0,63 3 0,40 4 0,37 5 0,26
Semakin tinggi konsentrasi PVA akan
menghasilkan membran yang semakin tebal,
sehingga  jarak yang harus ditempuh oleh sampel untuk melewati membran menjadi lebih panjang,  permeasi menjadi  semakin lama , sehingga  nilai fluks menjadi  semakin rendah. Semakin besar konsentrasi PVA, semakin kecil nilai fluks permeat ABE yang dipelajari. Semakin tinggi konsentrasi PVA,
maka membran yang terbentuk semakin tebal. Ketebalan membran berbanding lurus dengan jarak yang ditempuh oleh permeat
untuk melewati membrane,  sehingga nilai
fluks menjadi semakin rendah. Nilai fluks tertinggi dihasilkan dari konsentrasi PVA 2%
sebesar 0,63 (L/m 2 .jam).
2. Jumlah monomer yang terikat silang
( number of crosslinked )
Sifat fisik dari membran dipengaruhi dari  jumlah  monomer  yang  terikat  silang. Semakin sedikit jumlah monomer dalam setiap ikat silang, maka akan membuat
membran lebih rigid sehingga sulit mengalami penggembungan. Komposisi PVA:agen  pengikat  silang  (GA)  yang  tepat, dapat  menghasilkan  nilai  fluks  yang  tinggi. Variasi penambahan  GA pada kisaran n=60 hingga  120,  dengan  konsentrasi  PVA  yang digunakan adalah 2%.
Penambahan GA ke dalam larutan
polimer, dapat menghasilkan dua model ikat silang yang berbeda. Pertama adalah ikat silang antara molekul polimer yang berbeda yang disebut silang antarmolekul. Model yang kedua adalah ikat silang internal dari molekul polimer tunggal, yang disebut ikatan silang intramolekul [7]. Nilai fluks hasil permeasi etanol menggunakan membran PVA yang terikat silang dengan GA pada beberapa macam n, Fasa umpan Fasa penerima
membran
dapat dilihat pada Tabel 2. Nilai fluks tertinggi dihasilkan pada nilai n = 120. Nilai n optimum yang  dihasilkan  sesuai  dengan  teori  yang dilantarkan  oleh  Gebben  (1985)  bahwa ikatan silang PVA yang terikat silang dengan GA adalah 100 unit struktural dari rantai polimer per ikatan silang. Kisaran  100
merupakan jumlah optimum untuk membran PVA agar tidak mengembang secara berlebihan, tapi juga tidak terlalu rigid.
Tabel 2. Pengaruh Penambahan  GA  pada Berbagai Harga n Terhadap Nilai Fluks Permeasi Etanol Membran n Fluks (L/m 2 .jam)
PVA + GA ~ 0,452 60 0,479 90 0,565 120 0,581 150 0,613 3. Pemilihan komposisi optimum membran paduan PVA-pektin-GA PVA merupakan polimer yang larut air dan mempunyai permeabilitas rendah dan mempunyai kemampuan penyerapan air yang tinggi. Karena PVA relatif mahal dan memiliki tingkat biodegradasi yang rendah
[8], maka PVA dapat dikombinasikan dengan pati  yang merupakan polimer murah dan bersifat biodegradable . Jenis pati yang ditambahkan dalam penelitian ini adalah pektin. PVA dapat berinteraksi kuat dengan pektin melalui kemampuannya dalam membentuk ikatan hidrogen pada tingkat molekular dengan PVA yang kaya akan gugus hidroksil [9]. Pengaruh  penambahan pektin pada PVA dipelajari dengan menvariasi  jumlah  biopolimer  yang  ditam- bahkan  (berdasarkan  perbandingan  mol),
dan penambahan agen pengikat silang pada n=120.  Pengaruh  penambahan  biopolimer terhadap  nilai  fluks  etanol  disajikan  pada Tabel 3.
Tabel 3. Pengaruh Penambahan Pektin pada Membran  PVA  yang  Terikat  Silang
Dengan  GA  Terhadap  Nilai  Fluks Permeasi Etanol Membran Perbandingan mol (PVA:Pektin) Fluks (L/m 2 .jam) PVA- Pektin- GA (1:0) 0,346 (1:1) 0,495 (1:2) 0,551 (1:3) 0,411 Tabel 3 menjelaskan bahwa komposisi optimum  membran  dicapai pada per- bandingan PVA:pektin = 1:1 dengan penambahan GA pada n=120. Penambahan pektin di atas kondisi optimum dapat menurunkan nilai fluks. Pektin merupakan biopolimer
golongan  pati  yang  bersifat  hidrofilik  dan dapat  dipakai  sebagai  membran  karena sifatnya  yang  termoplastik  [10].  Walaupun bukan  termoplastik  yang  nyata,  tapi  pati dalam  pelarut  air  serta  adanya  panas  akan menyebabkan  pati  meleleh  dan  mencair, yang  selanjutnya  bisa  dibuat  membran. Namun  karena  membran  pati  sangat  peka terhadap  kelembaban  dan  sifat  mekaniknya yang  rendah,  maka  apabila  perbandingan PVA:biopolimer  lebih  besar  dari  komposisi optimum, maka dapat mengakibatkan
membran mengalami penggembungan,
sehingga selektivitas menjadi turun.
Penambahan pektin selain  bertujuan untuk  memperbaiki  sifat  fisik  membran  juga mampu  meningkatkan  nilai  fluks  permeasi. Peningkatan  nilai  fluks  tersebut  disebabkan
bahwa  pektin  mempunyai  gugus  hidroksida ( –OH) dan karboksilat ( –COOH), dimana keberadaan kedua gugus tersebut mampu membentuk ikatan dengan molekul lain yang mempunyai gugus yang sejenis, seperti etanol.  Ikatan yang terjadi berupa ikatan hidrogen yang relatif lemah. Pemutusan ikatan hidrogen dibantu oleh pengadukan yang dilakukan selama permeasi dan gaya dorong yang berupa perbedaan konsentrasi

## KESIMPULAN
Penambahan  agen  pengikat  silang mengakibatkan  nilai  fluks  menurun  tetapi stabilitas  membran  meningkat.  Nilai  fluks tertinggi dihasilkan dari membran yang terikat silang  dengan  jumlah  ikatan  silang  (n) sebesar 120;
Penambahan  pektin  mengakibatkan nilai fluks meningkat tetapi stabilitas membran  menurun.  Nilai  fluks  tertinggi dihasilkan  dari  membran  paduan  PVA- pektin-GA  dengan  komposisi  optimum  pada perbandingan mol PVA : pektin = (1:2).

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima  kasih  kepada  semua  kolega dan  staf  yang  memberikan  kontribusi  pada penelitian  ini  baik  yang  bersal  dari  UB maupun UGM.

## DAFTAR RUJUKAN
[1]  Li,  G.  et  al., “Time–dependence  of Pervaporation  Performance  for  The Separation  of  Ethanol/Water  Mixtures through  Poly(vinyl  alcohol)  Membrane ”, J. Colloid Interface Sci., 306(2), 337 –344,
2007.
[2]  Lewandowska,  M.  and  Kujawski,  W., “Ethanol  Production  from  Lactose  in  a Fermentation  /  Pervaporation  System ”, J. Food Eng., 79(2), 430 –437, 2007.
[3]  Rusmana, I., Sistem Operasi Fermentasi. Departemen Biologi, FMIPA IPB, Bogor, 2008.
[4]  Isiklan,  N.  and  Sanli,  O., “Separation
Characteristics  of  Acetic  Acid –Water Mixtures by Pervaporation using
Poly(vinyl alcohol) Membranes Modified with  Malic  Acid ”,  Chem.  Eng.  Process,
44(9), 1019 –1027, 2005.
[5]  Mishra,  R.  K.  et  al., “Synthesis  and
Characterization of Pectin/ PVP
Hydrogel  Membranes  for Drug  Delivery System ”. AAPS Pharm. Sci. Tech., 9(2),
395 –403, 2008.
[6]  Alkhudhiri, A. et al., “Membrane Distilla- tion: A Comprehensive Review ”, Desalination, 287, 2 –18, 2012.
[7]  Gebben,  BY. et  al.,  “Intramolecular Crosslinking  of  Poly(vinyl  alcohol) ”, Polymers, 26, 1737 –1740, 1985.
[8]  Chao,  K.  P. et  al.,  “Estimation  of Resistance  of  Starch/Polyvinyl  Alcohol Blends  to  Permeation  by  Organic Solvents ”,  Carbohydr.  Polym.,  89(2),
432 –437, 2012.
[9]  Yu, L. Yu. et al., “PVDF–TiO2 Composite Hollow  Fiber  Ultrafiltration  Membranes Prepared  by  TiO2  Sol –Gel  Method  and Blending  Method ”,  J.  Appl.  Polym.  Sci.,
113(3), 1763 –1772, 2009.
[10]  Tang,  X.  and Alavi,  S.,  “Recent Advances  in  Starch,  Poly(vinyl  alcohol) Based  Polym  Blends,  Nanocomposites and Their  Biodegradability ”, Carbohydr. Polym, 85(1), 7 –16, 2011.