Optimasi Bioproses Modifikasi  Permukaan Serat untuk Peningkatan Kekuatan Kertas... : Taufan Hidayat, dkk.

## OPTIMASI BIOPROSES MODIFIKASI  PERMUKAAN SERAT UNTUK PENINGKATAN KEKUATAN KERTAS
Taufan Hidayat 1 , Nina Elyani, Chandra Apriana Purwita Balai Besar Pulp dan Kertas, Jl. Raya Dayeuhkolot No. 132 Bandung
1 taufanhidayat@gmail.com
Diterima : 25 Februari 2014, Revisi akhir : 5 Mei 2014, Disetujui terbit : 30 Mei 2014

## BIOPROCESS OPTIMIZATION OF FIBER SURFACE MODIFICATION FOR PAPER STRENGTH DEVELOPMENT

## ABSTRACT
Fiber  surface  modification  is  a  main  process  to  improve  paper  quality.  It  is  usually  done mechanically through refining process. In this research the modification was done microbiologically by using Acetobacter xylinum. In principle, this process is carried out by growing bacterial cellulose on the fiber surface, which is similar to fibrillation by mechanical action. The modification was done at the short fibers at 5 duration reaction times and 4 level agitation speeds. The experiments were conducted in a 75 liter active volume bioreactor filled with a liquid inorganic media, 0.75% pulp consistency, at 30°C temperature, and pH 5.5. The washed pulp was then turned into sheets for testing purposes. The experiments show that at 37.5 Hz agitation speed and 1-3 hours reaction time, the paper strength and structure improve effectively. In addition, this optimized process also shows a potential energy saving up to 17.24% at agitation speed of 25,0 Hz.
Keywords: fiber surface modification, Acetobacter xylinum, paper strength, short fibers

## ABSTRAK
Modifikasi permukaan serat adalah proses inti pembuatan kertas untuk meningkatkan kualitas kertas. Pada umumnya modifikasi permukaan serat dilakukan secara mekanis melalui proses penggilingan. Pada  penelitian  ini  modifikasi  permukaan  serat  dilakukan  secara  mikrobiologis  menggunakan Acetobacter xylinum . Proses ini berlangsung dengan cara menumbuhkan bakteri pembentuk selulosa pada permukaan serat sehingga serat terfibrilasi. Penelitian dilakukan pada serat pendek dengan variasi 5 durasi waktu reaksi dan 4 tingkat kecepatan agitasi. Proses modifikasi dilakukan dalam bioreaktor dengan volume aktif 75 liter menggunakan media anorganik cair, pada konsistensi pulp 0,75%, suhu 30°C, dan pH 5,5. Pulp hasil reaksi dicuci kemudian dibuat lembaran untuk diuji karakteristik fisiknya. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa pada kondisi kecepatan agitasi 37,5 Hz dan waktu inkubasi 1-3 jam, bioproses modifikasi serat efektif untuk meningkatkan kekuatan kertas, memperbaiki struktur lembaran kertas, dan berpeluang menghemat energi sebesar 17,24% pada kecepatan agitasi 25,0 Hz.
Kata kunci: modifikasi permukaan serat, Acetobacter xylinum , kekuatan kertas, serat pendek

## PENDAHULUAN
Secara konvensional kekuatan lembaran kertas dapat dibangun dengan penggunaan serat panjang, refining serat, dan penambahan bahan kimia penguat. Masing-masing cara memiliki kekurangan dan kelebihan. Serat panjang sangat
efektif dalam membangun kekuatan, tetapi harganya mahal dan masih impor. Refining adalah teknik paling mapan yang digunakan untuk membangun kekuatan lembaran. Teknik ini satu- satunya cara yang memodifikasi sifat fisik serat. Akan tetapi kemampuan berbagai jenis serat untuk dimodifikasi dengan cara ini berbeda-beda.
Kendala utama dalam refining adalah konsumsi energinya yang cukup besar, peringkat kedua di industri kertas sesudah pengeringan, dan bila terjadi refining berlebihan maka kertas tidak dapat dibentuk karena serat akan hancur. Bahan kimia juga cukup efektif untuk membangun kekuatan kertas, tetapi harganya mahal dan umumnya berdampak tidak ramah lingkungan pada air limbahnya, khususnya untuk aditif penguat jenis sintetis.
Dari ketiga cara peningkatan kekuatan kertas di atas, yang paling banyak dilakukan oleh industri adalah melalui proses refining . Pada dasarnya refining dilakukan dengan menggosok serat diantara permukaan rotor dan stator yang bersifat kasar dengan pola alur tertentu. Akibat gosokan ini terjadi perubahan fisik pada serat yang tadinya kaku dengan permukaan yang mulus, bentuk silindris, dan bagian tengah berlubang, menjadi serat yang lentur, pipih dan permukaannya berbulu. Bulu-bulu yang  berukuran  mikron  ini  disebut  fibril,  dan mikrofibrilasi ini sangat berguna saat serat dengan serat saling berikatan membentuk lembaran kertas.  Mikrofibrilasi  memperluas  permukaan serat sehingga menambah jumlah ikatan hidrogen yang terbentuk sehingga terjadi peningkatan kekuatan kertas yang signifikan sesudah refining . Proses refining adalah proses kedua terbesar di industri kertas dalam hal konsumsi energi. Berbagai penelitian terdahulu menunjukkan bahwa,  fibrilasi  permukaan  serat  juga  dapat dilakukan dengan memanfaatkan mikroba tertentu seperti Acetobacter atau Gluconobacter . Fibril yang terbentuk berukuran nano dan peristiwa  ini  disebut  nanofibrilasi.  Kebanyakan pada penelitian-penelitian tersebut, nanofibrilasi dimanfaatkan untuk meningkatkan mutu komposit, yaitu campuran serat selulosa yang terfibrilasi secara nano dengan bahan-bahan lain. Dengan  nanofibrilasi  ini,  peningkatan  kinerja komposit  dapat  diperoleh  secara  signifikan (Vitta dan Thiruvengadam, 2012). Prinsip dasar bioproses  modifikasi  permukaan  serat  adalah sebagai berikut; Serat dalam media kultur bakteri diinokulasi dengan bakteri penghasil selulosa, kemudian serat diekstrak kembali dari media kultur tersebut (Chen dkk., 2010).
Bioproses  modifikasi  permukaan  serat  pada dasarnya adalah upaya penumbuhan bakteri pembentuk selulosa pada permukaan serat. Bacterial  cellulose dapat disintesis oleh bakteri yang termasuk ke dalam genus Acetobacter,
Rhizobium, Agrobacterium,
Aerobacter,
Achromobacter, Azotobacter, Rhizobium, Sarcina, Salmonella, dan Escherichia . Dari genus bakteri tersebut, yang paling efisien dalam menghasilkan selulosa adalah Acetobacter xylinum. Bakteri ini dapat disolasi dari berbagai sumber seperti limbah buah nenas (Pratama dkk., 2013), limbah padat serat (Cavka dkk., 2013), dan cuka rumah (Castro dkk., 2012). Tingkat kemurnian selulosa yang dihasilkan oleh bakteri lebih tinggi dibandingkan dengan selulosa yang dihasilkan dari tumbuhan (Raghunathan, 2013). Hal ini disebabkan oleh selulosa tumbuhan berada dalam ikatan dengan bahan kimia lain seperti lignin dan hemi selulosa sehingga harus dipisahkan.
Bacterial  cellulose memiliki karakteristik istimewa seperti derajat polimerisasi, indeks kristalinitas, ketahanan tarik, dan kapasitas penyerap air yang tinggi dibandingkan dengan selulosa tumbuhan (Chawla dkk.,2009). Oleh karena itu bacterial  cellulose telah digunakan secara luas di berbagai bidang seperti industri kertas, elektronik, dan rekayasa jaringan (Torres dkk., 2012). Selain itu bacterial cellulose dapat juga digunakan di bidang akustik dan peralatan biomedik (Nge, dkk., 2010). Aplikasi bacterial cellulose di industri kertas juga sudah cukup banyak diteliti, antara lain sebagai aditif yang dapat memperbaiki kekuatan dan sifat permukaan kertas (Surma-Slusarska, 2008), lembaran Bacterial  cellulose sebagai kertas perkamen (Suwannapinunt, 2007), dan peretensi bahan pengisi (Basta dan El-Saied, 2009). Produksi bacterial cellulose oleh bakteri A. xylinum dapat dihasilkan melalui kultur pada kondisi statis maupun dinamis. Untuk produksi bacterial cellulose pada kondisi statis mempunyai beberapa kekurangan seperti membutuhkan lebih banyak ruang dan tenaga kerja, hal ini menyebabkan produksi  membutuhkan investasi yang lebih mahal. Oleh karena itu, untuk produksi bacterial  cellulose secara komersial, kondisi produksi teragitasi lebih banyak digunakan. Berbagai  jenis  bioreaktor  dengan  konfigurasi yang berbeda telah diteliti untuk produksi bacterial cellulose pada kondisi teragitasi (Sani & Dahman, 2009).
Bioproses  modifikasi  permukaan  serat  pada hakekatnya adalah proses produksi bacterial cellulose dalam bioreaktor, tetapi media reaksinya mengandung sejumlah serat sehingga bakteri pembentuk selulosa tumbuh juga di permukaan serat. Pertumbuhan bakteri pembentuk selulosa ini
Optimasi Bioproses Modifikasi  Permukaan Serat untuk Peningkatan Kekuatan Kertas... : Taufan Hidayat, dkk.
yang menyebabkan sifat permukaan serat berubah (termodifiksi)  yang  dalam  sudut  pandang  proses pembuatan kertas hal ini tidak lain adalah peristiwa fibrilasi  serat.  Karena  fibrilnya  berukuran  nano, maka  proses  fibrilasi  bisa  disebut  nanofibrilasi. Perubahan  teknik  fibrilasi  dari  mikro  (mekanis konvensional) ke nano (bioproses) akan disertai dengan perubahan jumlah ikatan hidrogen dalam lembaran kertas, sehingga diharapkan kekuatannya pun lebih tinggi. Selain peningkatan kekuatan  kertas,  teknik  nanofibrilasi  ini  juga diharapkan bisa menurunkan konsumsi energi refining pada proses pembuatan kertas. Penelitian ini  bertujuan  melakukan  modifikasi  permukaan serat  (nanofibrilasi)  dalam  bioreaktor  jenis  tangki berpengaduk dengan variabel waktu reaksi dan kecepatan agitasi yang mewakili kondisi laminar dan turbulen. Serat tersebut kemudian dipreparasi dan dibuat lembaran kertas sehingga kondisi bioreaksi dapat dilihat pengaruhnya terhadap sifat kertas.

## BAHAN DAN METODE
Pada penelitian ini digunakan berbagai bahan berikut:  kultur murni bakteri Acetobacter xylinum dari Laboratorium Mikrobiologi Teknik Kimia ITB;  Media GYE yang  terdiri dari glukosa 2%, yeast extract 0,5%, pepton 1%, agar 2%; media anorganik cair yang terdiri dari glukosa 1,5%, ammonium sulfat 0,3%, kalium dihidrogen fosfat 0,3%, dinatrium dihidrogen fosfat 0,3%, magnesium sulfat 0,08 %, ferosulfat 0,0005%, asam borat 0,0003%, niasin 0,00005 %, etanol teknis 0,6 %; kemudian Pulp Putih Serat Pendek (LBKP) yang berasal dari PT Kertas Padalarang. Pada penelitian ini digunakan juga peralatan berikut:  peralatan penanganan, penumbuhan, dan pemeliharaan bakteri; bioreaktor dengan variabel suhu, waktu,  dan kecepatan agitasi; peralatan penanganan hasil bioreaksi; peralatan pembuatan lembaran kertas seperti disintegrator, PFI Mill , pembuat lembaran, pengepresan, dan pengeringan lembaran; peralatan pengujian kertas yang  meliputi  uji  fisik  dan  kekuatan  lembaran kertas.
Penelitian dilakukan melalui berbagai tahapan berikut : penyiapan inokulum Acetobacter  xylinum berupa subkultur dalam media GYE dilanjutkan proses adaptasi ke media cair anorganik; pencampuran pulp serat pendek dengan media anorganik cair dalam bioreaktor; sterilisasi media berisi pulp dalam
bioreaktor; proses bioreaksi dalam bioreaktor dimulai dengan inokulasi Acetobacter  xylinum ke dalam bioreaktor volume 75 L dengan kondisi proses suhu 30°C, pH 5,5, konsistensi pulp 0,75%, dosis inokulan 5%. Variable proses adalah waktu reaksi 0; 1; 3; 5; dan 8 jam; serta kecepatan agitasi 12,5; 25,0; 37,5; dan 50,0 Hz. Selanjutnya dilakukan pencucian pulp hasil bioreaksi untuk membersihkan media anorganik cair yang melekat pada serat; penguraian serat menggunakan disintegrator pada konsistensi 1,5% dan 10000 putaran; penggilingan pulp menggunakan PFI Mill pada konsistensi 10 % dan 4300 putaran; dan akhirnya dilakukan proses pembentukan, pengepresan, dan pengeringan lembaran kertas. Sebagai akhir dari tahapan penelitian dilakukan pengkondisian dan pengujian lembaran kertas berdasarkan standar uji yang berlaku (SNI). Data-data ini kemudian dianalisis untuk melihat efektivitas dan efisiensi bioproses tersebut. Efektivitas dilihat dari indikasi peningkatan kekuatan kertas dan perbaikan struktur lembaran, sedangkan efisiensi dilihat dari peluang penghematan energi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pencapaian Freenes Stok
Blanko adalah lembaran kertas yang dibuat dari pulp yang belum mengalami kontak dengan media cair anorganik tetapi sudah mengalami refining . Sedangkan pada saat pulp hasil refining sudah kontak singkat dengan media cair anorganik tetapi belum diinkubasi disebut 0 jam inkubasi. Freeness  setelah  proses  refining  pada  berbagai kecepatan agitasi disajikan pada Gambar 1.
230 240 250 260 270 280 290 300 Blanko 0 1 3
5 8 Fr ee ne ss ( m L C SF) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz
Gambar 1. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Freeness
Dari percobaan di laboratorium  teramati bahwa freeness awal pulp hasil disintegrasi adalah 600 mL CSF. Selanjutnya untuk mencapai freeness 300 mL CSF diperlukan 6000 putaran PFI Mill . Teramati pula ternyata untuk pulp yang diinkubasi pencapaian freeness yang sama hanya memerlukan 4300 putaran. Hal ini menjadi indikasi penting adanya penghematan energi refining , karena untuk mencapai derajat giling yang sama diperlukan putaran PFI Mill yang lebih rendah. Pada Gambar 1 nampak semua perlakuan inkubasi cenderung menurunkan pencapaian freeness pada RPM PFI  Mill yang sama. Ini berarti untuk mendapatkan freeness yang setara dengan blanko dapat diperoleh dengan menurunkan putaran PFI Mill atau waktu refining . Bila diasumsikan konsumsi energi bersifat linier terhadap pencapaian freeness maka dapat dihitung indikasi penghematan energi refining -nya sebagai berikut. Pencapaian freeness terendah terlihat pada waktu inkubasi 1 – 3 jam sebesar 240 mL CSF. Sedangkan pada putaran yang sama nilai blanko  freeness mencapai 290 mL CSF. Ini berarti potensi penghematan energi sebesar (290-240)/290 atau sekitar 17,4 %.

## Indeks Tarik
Kecuali pada kecepatan agitasi 25,0 Hz, indikasi kecenderungan peningkatan indeks tarik kertas terlihat (Gambar 2), dan maksimal dicapai pada kecepatan agitasi 12,5 Hz dengan waktu inkubasi 1-3 jam. Peningkatan indeks tarik terjadi karena  terbentuk  fibril  pada  permukaan  serat akibat aktivitas bakteri Acetobacter  xylinum . Efek fibrilasi ini dengan sendirinya meningkatkan kekuatan ikatan antar serat, sehingga indeks tarik juga meningkat.
45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00 Blanko 0 1 3
5
8 In de ks T ari k ( N m/ g) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz
Gambar 2. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Indeks Tarik
Kecenderungan terjadinya ketahanan tarik terbesar dicapai pada kecepatan agitasi terendah yaitu 12,5 Hz dan inkubasi 1-3 jam dan menurun kembali sesudah 3 jam inkubasi, kecuali untuk kecepatan 37,5 Hz. Hal ini terjadi kemungkinan besar adalah karena pada kecepatan rendah, pembentukan  nano  selulosa  (nano  fibril)  pada permukaan serat membentuk ikatan yang lebih baik dengan permukaan serat karena kondisi tenang (laminar). Sedangkan pada kecepatan tinggi (25,0 dan 50,0 Hz) kemungkinan daya ikat nano selulosa di permukaan serat tidak begitu kuat akibat gangguan turbulensi. Pada kecepatan yang lebih tinggi lagi (37,5 Hz) nanofibril yang lepas dari permukaan serat bisa terdeposisi kembali ke permukaan karena intensnya agitasi sehingga  frekuensi  tumbukan  antar  nano  fibril dari bacterial  cellulose dengan permukan serat semakin tinggi.

## Daya Regang
Daya regang pada kecepatan agitasi 12,5 Hz cenderung konstan pada berbagai waktu inkubasi (Gambar 3). Meskipun kecepatan ini cenderung meningkatkan indeks tarik sebagaimana dibahas sebelumnya, namun pada kondisi laminar ini daya regang lebih dipengaruhi oleh sifat intrinsik seratnya.
2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 Blanko 0 1 3 5 8 Da ya R ega ng ( % ) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz
Gambar 3. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Daya Regang
Pada saat kecepatan dinaikan menjadi 25,0 Hz maka dominasi sifat intrinsik menurun, kondisi reaksi lebih turbulen sehingga terjadi pelepasan nano fibril dari permukaan serat, maka daya regang cenderung turun. Fenomena yang sama terjadi pada kecepatan 50,0 Hz (Gambar 3). Tetapi, ada indikasi kecenderungan daya regang meningkat pada kecepatan 37,5 Hz. Kemungkinan besar
Optimasi Bioproses Modifikasi  Permukaan Serat untuk Peningkatan Kekuatan Kertas... : Taufan Hidayat, dkk.
ini adalah pencapaian kondisi “kesetimbangan” antara dominasi sifat intrinsik serat dengan kondisi nanofibrilasi permukaan serat.

## Daya Serap Energi (TEA)
TEA adalah ukuran kealotan lembaran kertas, yang merupakan kombinasi ketahanan tarik dan daya regang. Kecenderungan peningkatan kealotan kertas akibat inkubasi 1 – 3 jam  terlihat pada semua kecepatan (Gambar 4). Sesudah itu kemudian TEA menurun dengan meingkatnya waktu inkubasi. Daya regang berkontribusi dominan terhadap peningkatan kealotan sehingga pola kurvanya mirip dengan daya regang dengan urutan pencapaian tingkatan nilai TEA mengikuti urutan kecepatan 25,0; 50,0; 12,5 dan 37,5 Hz.
5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 Blanko 0 1 3 5 8 TE A ( kg f.m /m 2 ) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz

## Gambar 4. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap TEA

## Indeks Retak
Pada umumnya perlakuan inkubasi menyebabkan kecenderungan peningkatan indeks retak pada kecepatan agitasi 0,5-2,0 jam (Gambar 5). Nilai peningkatan indeks retak dicapai pada kecepatan 12,5 Hz dan waktu inkubasi 0,5-1,5 jam.
Indeks retak adalah ukuran kekuatan kertas menahan beban tegak lurus permukaan kertas, sangat dipengaruhi oleh ikatan antar serat. Seperti telah dibahas pada indeks tarik, kecepatan 12,5 Hz adalah kondisi laminer yang memungkinkan nanofibrilasi  berkembang  baik  dipermukaan serat, sedikit kemungkinan terlepas kembali ke lingkungan cairannya akibat turbulensi. Oleh karena itu ikatan antar seratnya terbaik pada kecepatan ini. Sementara waktu inkubasi yang lebih lama tidak menambah kekuatan kertas
karena  pertumbuhan  optimal  nanofibril  terjadi pada waktu inkubasi yang lebih pendek.
3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 Blanko 0 1 3 5 8 In de ks R eta k ( kN /g ) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz

## Gambar 5. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Indeks Retak

## Indeks Sobek
Berbeda dengan parameter kekuatan kertas lainnya, pada saat pengembangan kekuatan kertas, parameter seperti indeks tarik, daya regang, dan retak biasanya meningkat seiring dengan peningkatan proses refining .  Tetapi indeks sobek berbeda, polanya meningkat dulu kemudian mencapai maksimal dan selanjutnya menurun. Karakter ini harus diwaspadai karena kalau hanya mempertimbangkan indeks tarik, ada kemunginan indeks sobeknya rendah. Oleh karena itu sangat mungkin terjadi perbedaan pencapaian titik maksimal indeks sobek dibandingkan dengan parameter kekuatan lainnya. Pada Gambar 6 terlihat, pencapaian indeks sobek tertinggi terjadi pada kecepatan 37,5 Hz dengan waktu inkubasi 3-5 jam. Ini berbeda dengan waktu inkubasi untuk pencapaian indeks tarik maksimal. Tetapi pada periode 1-3 jam waktu inkubasi, indeks sobek sebenarnya sedang mengalami peningkatan pada kecepatan tersebut.
2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Blanko 0 1 3 5 8 In de ks S ob ek (mN m 2 /g) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz
Gambar 6. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Indeks Sobek

## Ketahanan Lipat
Pada periode 1 - 3 jam waktu inkubasi, nilai ketahanan lipat cenderung meningkat pada semua kecepatan (Gambar 7). Tetapi sesudah itu selanjutnya ketahanan lipat menurun. Kecenderungan pencapaian ketahanan lipat tertinggi dicapai pada kecepatan 25,0 Hz, disusul oleh kecepatan 37,5 Hz. Waktu inkubasi yang lebih lama, cenderung menurunkan ketahanan lipat. Kecenderungan penurunan ketahanan lipat karena adanya peningkatan sifat kekakuan serat akibat perlakuan inkubasi.
100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 Blanko 0 1 3 5 8 Ke tah an an L ip at Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz

## Gambar 7. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Ketahanan Lipat
Saat inkubasi tumbuh fibril nanoselulosa pada permukaan  serat,  dan  saat  mengering  fibril  ini cenderung mengeras sehingga kertas lebih kaku. Karena kertas kaku maka pada saat dilipat kertas akan cepat patah. Peningkatan ketahanan lipat terjadi pada kecepatan agitasi 25,0 dan 37,5 Hz. Kecepatan 12,5 dan 25,0 Hz adalah kecepatan laminar, sedangkan 37,5 dan 50,0 Hz adalah kondisi turbulen. Kondisi peralihan dari laminar ke turbulen nampaknya berkontribusi penting pada peningkatan ketahanan lipat.

## Porositas
Pada perlakuan hingga 1 jam inkubasi, porositas pada semua kecepatan agitasi cenderung berkurang (Gambar 8). Selanjutnya sampai inkubasi 5 jam terjadi kecenderungan peningkatan porositas pada semua kecepatan kecuali kecepatan 50,0 Hz.  Penurunan porositas hingga 1 jam perlakuan inkubasi menunjukkan bahwa matriks lembaran kertas terisi penuh oleh material halus, dalam hal ini nanoselulosa hasil produksi Acetobacter  xylinum. Pada kecepatan
agitasi yang turbulen yaitu 37,5 dan 50,0 Hz, semakin lama diinkubasi maka nanoselulosa yang tumbuh pada permukaan serat kemungkinan sebagian akan terlepas kembali. Hal ini dapat mengurangi efek pengisian material halus pada matriks lembaran kertas. Oleh karena itu pada Gambar 8 terlihat adanya penurunan porositas yang lebih tajam pada kecepatan turbulen (37,5 Hz) dibandingkan dengan kecepatan laminar (12,5 dan 35,0 Hz). Sementara pada kecepatan 50 Hz efek pengisian matriks tersebut lebih sulit hingga nilai porositasnya menjadi rendah.
100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 Blanko 0 1 3 5 8 Po ro si ta s ( mL /me ni t) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz

## Gambar 8. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Porositas

## Kerapatan
Peningkatan kerapatan lembaran kertas merupakan indikasi penting daya ikat antar serat. Serat yang di refining secara intensif akan menunjukkan kerapatan yang semakin tinggi dan berpengaruh pada berbagai sifat fisik, kekuatan, dan optik lembaran. Pola kecenderungan perubahan kerapatan lembaran kertas akibat inkubasi dan kecepatan agitasi dapat dilihat pada Gambar 9.
680,00 700,00 720,00 740,00 760,00 780,00 800,00 820,00 840,00 Blanko 0 1 3 5 8 Ke rap at an (k g/ m 3 ) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz
Gambar 9. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Kerapatan
Optimasi Bioproses Modifikasi  Permukaan Serat untuk Peningkatan Kekuatan Kertas... : Taufan Hidayat, dkk.
Dibandingkan dengan blanko pada umumnya dapat dikatakan bahwa terjadi kecenderungan peningkatan kerapatan saat diinkubasi hingga 8 jam. Kecenderungan peningkatan porositas maksimal terjadi pada kecepatan 37,5 Hz dengan waktu inkubasi 2-4 jam. Peningkatan kerapatan ini juga menjadi indikasi penting bahwa ruang kosong dalam struktur matriks lembaran kertas semakin terpenuhi material dengan semakin lamanya inkubasi. Hal ini bisa terjadi karena inkubasi menumbuhkan material baru pada permukaan serat hingga kontak antar serat semakin rapat.

## Scattering Coefficient
Dibandingkan dengan blanko, praktis pada semua perlakuan, Scattering  Coefficient  (SC) menurun dengan meningkatnya waktu inkubasi pada berbagai kecepatan agitasi (Gambar 10). Hal ini menunjukkan semakin besarnya area kontak optis antar serat. Ini menjadi indikator penting yang menunjukkan antar individu serat semakin dekat dan rapat. Berarti permukaan kontak dan ikatan antar serat semakin luas, sebagai akibat dari tumbuhnya fibril selulosa bakteri.
76,00 78,00 80,00 82,00 84,00 86,00 88,00 Blanko 0 1 3 5 8 Sc at ter in g C oef fic ien t Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz

## Gambar 10. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap Scattering Coefficient

## Kekasaran
Bersama-sama dengan kerapatan dan SC, kecenderungan kekasaran juga menunjukkan tingkat kerapatan struktur permukaan kertas (Gambar  11).  Adanya  pertumbuhan  fibril  yang memperluas area kontak antar serat, sekaligus juga mengisi ruang-ruang kosong antar serat, maka permukaan serat menjadi cenderung semakin licin. Hasil di atas menunjukan semakin kecil kekasaran, semakin licin permukaan kertas.
Pencapaian kecenderungan kelicinan terbesar terjadi pada kecepatan agitasi 50,0 Hz, sebagai akibat tercapainya distribusi yang paling merata dari massa pembentuk kertas.
20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 Blanko 0 1 3 5 8 Ke ka sa ra n ( mL /me ni t) Waktu Inkubasi (Jam) 12.5 Hz 25.0 Hz 37.5 Hz 50.0 Hz

## Gambar 11. Efek Inkubasi dan Agitasi terhadap
Kekasaran
Untuk memudahkan melihat pengaruh kecepatan agitasi dan waktu inkubasi terhadap kualitas kertas, maka hasil-hasil pembahasan diatas dirangkum pada Tabel 1. Indikasi penghematan energi dapat diwakili oleh parameter freeness . Penghematan energi terbesar diperoleh pada penurunan freeness tertinggi yaitu pada kecepatan 25,0 Hz dan periode waktu inkubasi 1-3 jam.  Kekuatan kertas dapat diwakili oleh indeks tarik, daya regang, TEA, indeks retak, indeks sobek dan ketahanan lipat. Maka secara umum dapat dikatakan bahwa peningkatan kekuatan kertas terjadi pada kecepatan 37,5 Hz dan periode waktu inkubasi 1-3 jam. Sementara itu parameter porositas, kerapatan, scattering coefficient , dan kekasaran dapat mewakili struktur lembaran kertas. Secara umum dapat dikatakan bahwa kecepatan agitasi cenderung menurunkan porositas, scattering coefficient , dan kekasaran permukaan lembaran kertas pada kecepatan agitasi 37,5 Hz dan waktu inkubasi  0-1 jam. Sedangkan nilai kerapatan meningkat.
Sementara itu, parameter yang menunjukkan kondisi terbaik tidak bisa dinyatakan secara umum karena karakteristik berbagai jenis kertas berbeda, tergantung pada penggunaannya. Sebagai contoh kertas uang memerlukan ketahanan lipat yang tinggi sementara kertas cetak memerlukan scattering  coefficient yang rendah. Perbaikan struktur lembaran kertas dapat diindikasikan dengan terjadinya peningkatan kerapatan, penurunan porositas, penurunan
scattering coefficient , dan penurunan kekasaran. Optimasi proses dinyatakan dalam variabel kecepatan agitasi dan waktu inkubasi.

## KESIMPULAN
Bioproses  modifikasi  permukaan  serat yang telah dilakukan berpeluang memberikan penghematan energi, peningkatan kekuatan kertas, perbaikan struktur lembaran kertas. Peningkatan kekuatan kertas dan perbaikan struktur lembaran terjadi pada kecepatan 37,5 Hz dan waktu inkubasi 1-3 jam. Peluang penghematan energi terbesar adalah 17,24% diperoleh pada kecepatan agitasi 25,0 Hz dan waktu inkubasi 1-3 jam.

## SARAN
Hasil penelitian ini perlu ditingkatkan ke skala pilot untuk mensimulasi kondisi pabrik yang sebenarnya.
Tabel 1. Kecenderungan Perubahan Sifat Kertas Akibat Pengaruh Kecepatan dan Waktu No Parameter Kecepatan Agitasi Waktu Inkubasi 1 Freeness Cenderung menurun kemudian meningkat, minimum pada 25,0 Hz Cenderung menurun kemudian meningkat; minimum pada 1-3 jam 2 Indeks Tarik Cenderung meningkat, maksimum pada 37,5 Hz Cenderung meningkat, maksimum pada 1 – 3 jam 3 Daya Regang Cenderung meningkat pada 37,5 Hz, lainnya konstan atau menurun Cenderung meningkat pada 1-3 jam dan 37,5 Hz. Lainnya konstan atau menurun 4 Tensile Energy Absorption (TEA) Cenderung meningkat, maksimal pada 37,5 Hz Cenderung meningkat, maksimal pada 1-3 jam 5 Indeks Retak Cenderung meningkat pada 12,5 Hz dan 37,5 Hz Cenderung meningkat pada 0,5-1,5 jam 6 Indeks Sobek Cenderung meningkat pada 37,5 Hz Cenderung menurun, tapi meningkat pada 1-3 jam, kecepatan 37,5 Hz 7 Ketahanan Lipat Cenderung meningkat pada periode awal (1-3 jam), maksimal pada 25,0 dan 37,5 Hz Cenderung meningkat pada periode 1-3 jam kecepatan 25,0 dn 37,5 Hz 8 Porositas Cenderung menurun pada awalnya, kemudian meningkat pada 12,5 dan 37,5 Hz Cenderung menurun hingga 1 jam, dan  meningkat pada 3-5 jam berikutnya. 9 Kerapatan Cenderung meningkat hingga 3 jam , maksimal pada 37,5 Hz Cenderung meningkat hingga 3 jam, selanjutnya menurun 10 Scattering Coefficient Cenderung menurun Cenderung menurun 11 Kekasaran Cenderung menurun Cenderung menurun

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya atas terselesaikannya penelitian ini, disampaikan khususnya kepada BPKIMI dan BBPK berikut seluruh anggota Tim Peneliti, serta umumnya kepada semua pihak yang secara langsung atau tidak langsung telah membantu penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Basta, A.H., El-Saied, H., 2009.Performance of Improved Bacterial Cellulose Application in the Production of Functional Paper. Journal of  Applied  Microbiology. Vol. 107, 2098- 2107
Castro, C., Zuluaga, R., Alvarez, C., Putaux, J. C., Caro, G., Rojas, O. J., Mondragon, I., Ganan, P., 2012, Bacterial Cellulose produced by a new acid-resistant Gluconacetobacter genus. Carbohydrate Polymers , 89 (4), 1033–1037
Optimasi Bioproses Modifikasi  Permukaan Serat untuk Peningkatan Kekuatan Kertas... : Taufan Hidayat, dkk.
Cavka, A., Guo,X., Tang,S., Winestrand, S.,
Jonsson,L.J., Hong,F., 2013. Production of Bacterial Cellulose from Waste Fiber Sludge. Biotechnology  for  Biofules , Vol. 6, No. 25, 1-10 Chawla, R. P, Ishwar B. Bajaj, Shrikant A. Survase and Rekha S. Singha. 2009. Microbial Cellulose: Fermentative Production and Applications. Food Technol. Biotechnol. Vol. 47, No. 2, 107–124. Chen, P., Se Youn Cho and Hyoung-Joon Jin. 2010. Review  :  Modification  and Applications  of Bacterial Celluloses in Polymer Science. Journal  of Macromolecular  Research. Vol.18, No.4, 309-320.
Nge, T. T., Sugiyama, J., Bulone, V., 2010. Bacterial  Celllulose-Based  Biomimetic Composites , Magdy Elnashar (Ed.), ISBN: 978-953-307-109-1, InTech Pratama,Y., Salafudina, Kartasasmita, E.H., 2013. Pineaple Fruit Waste Utilization as Edible paper Aplications. International  Journal  of Chemical  and  Environmental  Engineering , Vol. 4, No. 3, 171-173
Raghunathan, D., 2013. Production of Microbial Cellulose from New Bacterial Strain Isolated from Temple Wash Waters. International
Journal  of  Current  Microbiology  and Applied  Sciences , ISSN 2319-7706, Vol.2,
No. 12, 275-290
Sani, A and Y. Dahman. 2010. Improvements in the production of bacterial synthesized biocellulose  nanofibres  using  different culture methods. Journal of Chem Technol Biotechnol. Vol. 85, 151–164. Surma-Slusarska, B., Presier, S., Danielewicz, D., 2008. Characteristics of Bacterial Cellulose Obtained from Acetobacter  xylinum for Application in Papermaking. Fibres & Textiles  in  Eastern  Europe , Vol. 16, No. 4, 108 – 111
Suwannapinunt, N., Burakorn, J., Thaenthanee, S., 2007. Effect of Culture Conditions on Bacterial Cellulose Production from Acetobacter xylinum TISTR976 and Physical Properties of BC Parchment Paper. Suranaree Journal of Science and Technology , Vol.14,
No. 4, 357-365 Torres, F.G., Commeaux, S., Troncoso, O.P., 2012. Biocompatibility of Bacterial Cellulose Based Biomaterials. Journal  of  Functional Biomaterials , 3(4), 864-878
Vitta, S., Thiruvengadam, V., 2012.
Multifungsional Bacterial Cellulose and Nanoparticle-embedded Composites. Curent Science , Vol. 102, No. 10, 1398-1405