Kinetika Slow-Released Pupuk Urea Terenkapsulasi Dalam Alginat
Kinetics of Slow-Released Urea Encapsulated in Alginate
Reviana Indah Dwi Suyatmo 1* , Lukman Nulhakim 2
Email: revianastmi@gmail.com
1 Teknik Kimia Polimer, Politeknik Sekolah Tinggi Manajemen Industri Jakarta
2 Teknik Kimia, Universitas Jayabaya Makassar
Diterima: 05 Mei 2022 / Disetujui: 30 Desember 2022

## ABSTRAK
Pupuk  urea  merupakan  komoditas  yang  penting  di  sektor  pertanian.  Pupuk  urea  yang  digunakan petani seringkali terbawa air sehingga pelepasannya tidak efisien. Oleh karena itu diperlukan proses enkapsulasi pupuk urea agar pelepasannya dapat dikontrol. Alginat dapat digunakan sebagai pelapis berbagai  material. Tujuan  penelitian  adalh  untuk  mengetahui  diameter  rata-rata  hasil  enkapsulasi urea dengan alginate dan hasil uji pelepasan pupuk urea terenkapsulasi dalam alginat dalam air.  Pada penelitian  ini  dilakukan  pembuatan  urea  terenkapsulasi  dalam  alginat  serta  permodelan  kinetika slow-release  urea  terenkapsulasi.  Enkapsulasi  urea  dalam  alginat  menghasilkan  butiran  dengan diameter  rata-rata  3,01  mm.    Uji  pelepasan  urea  dalam  air  masih  terjadi  setelah  waktu  20  menit. Berdasarkan  hasil  permodelan  diperoleh  data  nilai  difusivitas  efektif  urea  dalam  butiran  sebesar 5,2342 x 10 -10 m 2 /s dan koefisien transfer massa urea dari permukaan butiran ke badan cairan sebesar 1,9684 x10 -06 m/s.
Kata Kunci: Alginat, Enkapsulasi, Slow-Release , Urea

## ABSTRACT
Urea fertilizer is an important commodity in the agricultural sector. Urea used by farmers is often carried away by water so that its release is inefficient. Therefore, it is necessary to encapsulate urea so that its release can be controlled. Alginate can be used as a coating for various materials. In this study, the preparation of urea encapsulated in alginate and slow-release kinetics modeling was done. The  encapsulated  urea  in  alginate  produced  granules  with  an  average  diameter  of  3.01  mm.  The urea  release  test  in  water  still  occurred  after  30  minutes.  Based  on  the  modeling,  the  effective diffusivity value of urea in granules was 5,2342 x 10 -10 m 2 /s and the mass transfer coefficient of urea from the surface of the granules to the liquid was 1,9684 x 10 -06 m/s.
Keywords : Alginate, Encapsulation, Slow-Release, Urea
This work is licensed under Creative Commons Attribution License 4.0 CC-BY International license

## A. PENDAHULUAN
Indonesia  termasuk  negara  agraris dimana  sebagian  besar  penduduknya memiliki  mata  pencaharian  di  bidang pertanian.  Menurut  Badan  Pusat  Statistik (BPS),  Produksi  Domestik  Bruto  (PDB) sektor  pertanian  di  Indonesia  pada  tahun 2013-2018 terus mengalami kenaikan dan pada tahun 2019 menempati urutan kedua
terbesar.  Peningkatan  sektor  pertanian  ini berdampak  pada  peningkatan  konsumsi pupuk  seperti  pupuk  urea.  Berdasarkan data BPS, konsumsi domestik pupuk urea di  Indonesia  pada  tahun  2019  mencapai 5,4  juta  ton/tahun  dan  merupakan  angka yang  tertinggi  dibandingkan  konsumsi pupuk lainnya.
Pupuk  urea  mengandung  unsur nitrogen  yang  sangat  diperlukan  dalam
pertumbuhan tanaman. Kelemahan penggunaan  pupuk  urea  adalah  ketika musim  hujan,  kemungkinan  butir  urea larut dan terbawa air sangat tinggi. Hal ini dapat menyebabkan tanaman tidak memperoleh kandungan dari pupuk secara efisien  karena  banyak  pupuk  yang  secara tidak  langsung  terbuang.  Oleh  karena  itu, perlu  enkapsulasi  pupuk  urea  untuk memperbaiki  sifat  permeabilitas  terhadap air  sehingga  laju  pelepasan  pupuk  urea dapat  secara  lambat  atau  secara  slow- release.
Biodegradable material seperti
selulosa,  kitosan,  dan  alginat  dapat digunakan  sebagai  coating  materials untuk ekapsulasi pupuk.
Tetapi
penggunaan  material  tersebut  dalam
coating  pupuk  memiliki  keterbatasan dalam efisiensi pengeluaran kandungan di dalam  pupuk  (FernándezPérez  et  al.,
2008;  Han  et  al.,  2009;  Ni  et  al.,  2011;
Zhong et al., 2013).
Alginat  merupakan  polimer  yang umum  digunakan  untuk  mengenkapsulasi makanan,  obat  dan  bakteri  (Szekalska dkk.,  2016).  Biodegradable  material seperti  alginat  dapat  digunakan  sebagai coating  materials utnuk  enkapsulasi pupuk.  Alginat  memiliki  potensi  untuk
mengenkapsulasi  pupuk  karena  polimer tersebut  larut  didalam  air  dan  ramah lingkungan. Ketika sodium alginat dilarutkan  ke  dalam  air  dan  kemudian diekstruksi ke dalam larutan CaCl2, maka larutan  alginat  akan  berubah  menjadi  gel karena  terjadi  ikat  silang  antara  polimer alginat dan ion Ca2+ (Leong et al., 2016).
Modeling  merupakan  suatu  proses yang  menggambarkan  data  eksperimen, sehingga model tersebut dapat
menjelaskan karakteristik sistem (Bender, 2000).  Modeling  merupakan  suatu  cara yang  dapat  digunakan  untuk  mengurangi biaya  eksperimen.  Kecepatan  pelepasan pupuk urea terenkapsulasi dapat dimodelkan atau dijabarkan dengan
persamaan-persamaan  matematis  sebagai berikut:
Input - Output = Akumulasi
  t C r r r C D r r C D r r r e r r e              ' 4 ' 4 ' 4 2 2 2        t C D r r r C r r C r r t C D r r r C r r C r r e r r r e r r r                           ' ' ' ' 1 ' ' 2 2 2 2 2 2 Jika diambil lim Δr→0 , maka
 
t C D r r r C r r C r r e r r r              ' ' ' 2 2 2
t C D r r C r r e              ' ' 2 2 t C D r r C r r C r e         ' ' 2 ' 2 2 2 2 t C D r C r r C e         ' 1 ' 2 ' 2 2 (1) ' 1 ' 2 ' 2 2 t C D r C r r C e        
dengan  kondisi  awal  sebagai berikut:
0 ' C' 0 0 C r t    dan kondisi batas sebagai berikut:   R c e C C k r C D R r r C r ' ' 0 0         
dimana De =   difusivitas  efektif  urea  dalam  butiran
alginat kc =   koefisien  perpindahan  massa  gliserol dari  permukaan  luar  padatan  ke  badan utama cairan R =   jari – jari terluar padatan, C’ =   konsentrasi urea di dalam butiran
C’o   =   konsentrasi  urea  awal  di  dalam  butiran alginat
Neraca massa A di badan cairan:
Input – Output = Akumulasi
  dt dC V C C N k R R c    0 ' 4 2    (2) ' 4 2 dt dC V C C N k R R c   
Dengan kondisi awal : 0 0   C t
Dengan
C =   konsentrasi urea di dalam badan cairan
N
=   jumlah butir
V
=   volume air
Persamaan  (1)  dan  (2)  di  atas
diselesaikan dengan menggunakan method  of  lines  menggunakan  software matlab berdasarkan pengamatan
konsentrasi  urea  di  dalam  air  (C).    Nilai
De  dan  kc  yang  memenuhi  adalah  nilai keduanya  memberikan  Sum  of  Absolute
Relative Difference (SARD) yang minimum yang ditunjukkan pada persamaan berikut Tujuan  penelitian  adalh  untuk
mengetahui diameter rata-rata hasil enkapsulasi  urea  dengan  alginate  dan hasil uji pelepasan pupuk urea terenkapsulasi dalam alginat dalam air.

## B. METODE PENELITIAN
Bahan  -  bahan  yang  digunakan dalam  penelitian  ini  adalah  pupuk  urea, alginat, aquadest ,  etanol,  dan  CaCl 2 .
Peralatan  yang  digunakan  antara  lain hotplate , magnetic  stirrer ,  gelas  beker,
gelas ukur, termometer, timbangan analitik, erlenmeyer, dan syringe .
Alginat sebanyak 2 gram dilarutkan dalam  akuades  100  ml  lalu  didiamkan selama  1  jam  untuk  memungkinkan deaerasi.  Setelah  itu,  urea  sebanyak  10 gram  dilarutkan  dalam  akuades  100  ml kemudian  dimasukkan  ke  dalam  larutan alginat  hingga  bercampur.  Campuran larutan  alginat-pupuk  urea  diekstrusi  ke dalam  larutan  CaCl 2 0,05  M.  Ekstrusi
menggunakan syringe seperti terlihat pada
Gambar  1.  Setelah  semua  butiran  alginat terbentuk,  diamkan  butiran  alginat  dalam larutan  CaCl 2 selama  10  menit  tanpa diaduk.  Butiran  alginat  yang  terbentuk kemudian  diukur  diameternya  dan  diuji pelepasannya.

## Gambar 1. Ektrusi Larutan Alginat-Urea ke dalam Larutan CaCl2
Pupuk urea terenkapsulasi sebanyak
10 gram dimasukan ke dalam akuades 100 ml  dalam  erlenmeyer.  Sampel  diambil pada waktu tertentu dan dilakukan analisa konsentrasi amonia pada cairan.
Pengukuran diameter
butir
hasil
enkapsulasi dilakukan menggunakan
digital  mikroskop  pembesaran  1000x.
Konsentrasi NH 3 dapat diasumsikan sama dengan konsentrasi nitrogen yang terdapat dalam  larutan.  Nitrogen  dianalisa  dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis.

## C. HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian ini dimulai dengan membentuk  butiran  alginat-pupuk  urea. Pembentukan  butiran  ini  cukup  sulit karena  harus  disesuaikan  jarak  dari syringe  ke  larutan  CaCl2.  Jika  jaraknya terlalu  jauh,  maka  yang  terbentuk  adalah droplet,  bukan  butiran.  Hasil  butiran alginat-urea  dapat  dilihat  pada  Gambar  2 dan Gambar 3.
Gambar 2. Urea Terenkapsulasi dalam
Alginat Gambar 3. Butir Alginat-Urea 1 2 3 5 4 Keterangan : 1. Statif 2. Klem 3. Syringe berisi larutan alginat-urea 4. Gelas beker berisi larutan CaCl 2 5. Hot plate
Gambar 4. Hasil Pengukuran Diameter Butiran Alginat-Urea Menggunakan Digital Mikroskop Pembesaran 1000x
Butiran alginat-urea diukur
diameternya menggunakan digital
mikroskop  pembesaran  1000x.  Dari  10 butir random, diperoleh nilai diameternya 3,01  mm  pada  tiap  butir.  Sehingga  dapat disimpulkan  bahwa  proses  pembentukan butiran  dilakukan  dengan  baik  karena distribusi  ukurannya  seragam.  Hasil pengukuran  diameter  butir  alginat-urea dapat dilihat pada Gambar 4.
Proses selanjutnya setelah terbentuk butiran  urea  yang  terenkapsulasi  dalam alginat  adalah  melakukan  uji  pelepasan.
Uji  pelepasan  dilakukan  di  dalam  air selama  30  menit.  Konsentrasi  urea  dalam air  pada  saat  uji  pelepasan,  diukur
absorbansinya dengan menggunakan spektrometer.
Pengambilan
sampel
dilakukan  hingga  waktu  30  menit  seperti
ditunjukkan  pada  Tabel  1.  Berdasarkan Tabel  1  ,  nilai  absorbansi  larutan  urea setelah 30 menit masih belum konstan.
Untuk mengetahui konsentrasi
larutan  urea,  perlu  dibuat  kurva  standar. Kurva  standar  dibuat  dengan  mengukur absorbansi  larutan  urea  yang  sudah diketahui  konsentrasinya.  Data  untuk membuat kurva standar dapat dilihat pada Tabel  2  sedangkan  kurva  standar  dapat dilihat pada Gambar 5.
Tabel 1.  Absorbansi Larutan Urea dalam Uji Pelepasan Waktu, (menit) Absorbansi Hasil Pengukuran Rata-Rata 0 0 0 1 0,132 0,132 2,5 0,134 0,135 0,136 5 0,142 0,1505 0,159 7,5 0,149 0,159 0,169 10 0,151 0,143 0,135 12,5 0,149 0,1685 0,188 15 0,181 0,193 0,205 17,5 0,149 0,158 0,167 20 0,274 0,278 0,282 30 0,224 0,203 0,182 Sumber: Hasil Penelitian 2022 Tabel 2. Data Kurva Standar Konsentrasi Urea, % Absorbansi 0,0001 0,0500 0,0050 0,1310 0,0100 0,3950 0,0500 0,8750 0,1000 1,2930 0,2000 1,5360 0,3000 1,5590 0,4000 1,5870 0,5000 1,5890 1,0000 1,6210 3,0000 1,6780
Konsentrasi Urea, % Absorbansi 5,0000 1,7020 Sumber: Hasil Penelitian 2022 Gambar 5. Kurva Standar
Tabel 3. Konsentrasi Larutan Urea Hasil Uji Pelepasan
Waktu, menit Konsentrasi Urea, mmol/m 3 0 (blangko) 0 1 3,0114 2,5 3,0455 5 3,2216 7,5 3,3182 10 3,1364 12,5 3,4261 15 3,7045 17,5 3,3068 20 4,6705 Sumber: Hasil Penelitian 2022
Berdasarkan kurva standar dan hasil absorbansi larutan dari uji pelepasan urea- alginat, diperoleh data pada Tabel 3. Data konsentrasi  pada  Tabel  3  ini  yang digunakan  pada  program  matlab,  untuk mencari  nilai  kc  dan  De.  Berdasarkan hasil  run  program  matlab,  diperoleh  nilai kc = 1,9684 x 10 -06 m/s dan De = 5,2342 x  10 -10 m 2 /s  dengan  SARD  =  0,4812.
Nilai  difusivitas  ini  tidak  jauh  berbeda dengan  hasil  penelitian  Imawan  dkk. (2018) mengenai enkapsulasi urea dengan
Na-lignosulfonate dimana  hasil  koefisien
difusinya  adalah  0,94  x10 –6 m 2 /jam  atau
2,61 x 10 -10 m 2 /s.

## D. KESIMPULAN DAN SARAN
Hasil penelitian yang telah dilakukan,  dapat  disimpulkan  bahwa butiran  enkapsulasi  urea  dalam  alginat berdiameter rata-rata 3,01 mm; konsentrasi  urea  masih  belum  konstan setelah 30 menit uji pelepasan; berdasarkan  permodelan,  diperoleh  nilai koefisien  perpindahan  massa  urea  dari permukaan  butiran  ke  badan  cairan  atau kc  =  1,9684  x  10 -06 m/s  dan  difusivitas efektif  urea  dalam  butiran  atau  De  = 5,2342  x  10 -10 m 2 /s  dengan  SARD  = 0,4812.  Untuk  penelitian  selanjutnya, diharapkan  melakukan  pengujian  lain seperti  FTIR  dan  SEM  untuk  mengetahui struktur  kimia  dan  morfologi  urea terenkapsulasi.

## DAFTAR PUSTAKA
Bender,  E.  A.  2000.  An  Introduction  to
Mathematical Modeling. Dover Publication, New York. Fernández-Pérez  M.,  Garrido-Herrera  F.J., González-Pradas E., Villafranca-
Sánchez  M.,  Flores-Céspedes  F.  2008.
Lignin  and  ethylcellulose  as  polymers in  controlled  release  formulations  of urea.  Journal  of  Applied  Polymer
Science, 108 (6): 3, 796-803.
Han  X.Z.,  Chen  S.S.,  Hu  X.G.  2009. Controlled-release fertilizer encapsulated by starch/polyvinyl alcohol  coating.  Desalination,  240  (1- 3), 21-26.
Kurniawan,  Y.  S.,  Imawan,  A.  C.,  Lukman, M.  F.,  Trioyono,  J.,  and  Siswanta,  D.
0 0.5 1 1.5 2 0 5 10 15 A b so rb an si Konsentrasi Urea, %
2017.  Synthesis  and  Kinetic  Study  of the Urea Controlled Release Composite Material:  Sodium  Lignosulfonate  from Isolation  of  Wood  Sawdust-Sodium
Alginate-Tapioca.  Indonesian  Journal of Chemistry, 18(1), 108-115. Kaliyathan,  A.V.,  Mathew,  A.,  Rane,  A.V.,
Kanny,K., Thomas,S. 2018. Fundamental  Biomaterials  :  Polymer. Woodhead Publishing, Cambridge
Leong,  J.Y..  2016.  Review  Advances  in
fabricating spherical alginate hydrogels with  controlled  particle  designs  by ionotropic  gelation  as  encapsulation systems. Particuology, Volume 24,  44- 60.
Ni  B.L.,  Liu  M.Z.,  Lü  S.Y.,  Xie  L.H.,  Wang Y.F.  2011.  Environmentally  friendly slow-release nitrogen fertilizer. Journal of  agricultural  and  food  chemistry,  59 (18): 10, 169-175. Szekalska,  M.,  Puciłowska,  A.,  Szymań,  E., 2016. Review Article Alginate: Current
Use  and  Future  Perspectives  in Pharmaceutical and Biomedical Applications.  International  Journal  of Polymer Science.
Zhong  K.,  Lin  Z.T.,  Zheng  X.L., Jiang  G.B.,
Fang Y.S., Mao X.Y., Liao Z.W. 2013. Starch  derivative-based  superabsorbent with  integration  of  water-retaining  and controlled-release fertilizers.
Carbohydrate Polymers, 92 (2): 1, 367- 376.