Cellulose, abundant renewable resource to make biodegradable polymer

Cellulose
Cellulose; Credit to Argonne National Laboratory on Flickr

Limbah pertanian seperti ampas tebu, jerami, sekam diproduksi dalam jumlah besar, tetapi pemanfaatannya terbatas sebagai bahan bakar industri. Potensi nilai tambah bagi limbah pertanian meliputi banyak hal, salah satunya memanfaatkan komponen cellulose sebagai sumber polymer yang bersifat mudah terurai. Selain pengurai microorganisme yang sudah pernah dibicarakan dalam artikel sebelumnya, jamur juga mampu membusukkan materi cellulose dengan bantuan proses enzimatik yang diproduksinya sendiri. Tiga jenis enzim yang pada dasarnya mampu mengurai cellulose dengan reaksi hidrolisis[1], diantaranya:

  1. endo-1,4-B-glucanases, mengurai secara acak struktur ikatan kimia senyawa cellulose menjadi senyawa lebih sederhana (lower molecular weight).
  2. exo-1,4-B-glucanases, tergolong exoenzim yang bereaksi secara selektif pada gugus fungsional makromolekul cellulose menjadi beberapa oligomer dan monomer glucose.
  3. 1,4-B-glucosidases, berfungsi sebagai katalisator pada reaksi penguraian senyawa-senyawa oligomer yang diproduksi oleh exo-1,4-B-glucanases.

Ada dua kelompok materi yang sangat prospektus didapat dari serat alami cellulose yaitu produk polymer film dan serat konvensional yang diproduksi dari proses produksi yang mengalami perkembangan. Golongan kedua adalah turunan cellulose termoplastik yang dapat diproses dari esterifikasi, dapat digunakan untuk ekstrusi dan pencetakan. Korelasi antara struktur molekul dan biodegradabilitas menunjukkan bahwa turunan produk dari cellulose mungkin dikembangkan sebagai termoplastik dan sekaligus ramah lingkungan karena pengelolaan limbah pasca-konsumsi dilakukan melalui dekomposisi biologis. Tantangannya ada pada pengembangan materi yang didasarkan pada 2 aspek tersebut: biodegradabilitas dan sifat termoplastik[2].

Cellulose Acetate (CA)

CigaretteFilters
Cigarette Filters; Credit to Curtis Perry on Flickr

Salah satu senyawa penting turunan cellulose adalah Cellulose Acetate (CA) karena memang produk ini juga mudah terurai secara alami. Hal ini dikonfirmasi oleh penelitian-penelitian di akhir tahun 1980an. Frakmen CA yang dikuburkan dalam kondisi normal, setelah beberapa bulan mengalami pelapukan karena terurai oleh bakteri tanah berkondisi lembab[3]. Struktur fungsional molekul yang secara knowledge dan intuituif mempengaruhi sifat biodegradabilitas-nya juga terlihat pada molekul CA. Komareck dkk. mengkonfirmasi korelasi tersebut[4].

 

Karena issue biodegradabilitas mulai marak di era ini, maka penggunaan CA dan derivatifnya juga mengalami perkembangan pesat diantaranya di dunia forografi, sebagai campuran coating material, frame kacamata, industri filter rokok.  Produk polymer golongan CA menjadi fokus sebagai materi yang menjanjikan dalam aplikasinya sebagai composites di dunia material science. Penelitian-penelitian tentang cellulose composite memungkinkan produk dengan karakter-karakter baru seperti: kombinasi PLA dan Cellulose sebagai Nanocrystal Composite bidang sintesis dan karakterisasi [5], duplikasi karakter benchmark PP[6], penyelidikan sifat mekanik dan termal karakternya [7][15], penyelidikan dalam pembuatan polymer film [8][9], studi kristalisasinya [10], aspek sumberdayanya [11], aplikasinya sebagai material produk kemasan [12][13], metode preparasi[14] dan masih banyak lagi.

Kata kunci: cellulose nanocrystals (CNCs), polylactic acid (PLA), composites, packaging, films, modification, characterization, tensile properties, biopolymer film, Coffee silverskin, Extrusion, nanocomposite film, Cellulose nanocrystal, Dispersion, Crystallinity, nucleation, Mechanical properties, Film blowing, Percolation threshold, POSIDONIA OCEANICA, ZINC OXIDE NANOPARTICLES, Small angle X-ray scattering, Stereocomplex, Sustainability

Referensi:

  1. Lenz RW. 1993. Biodegradable polymers. Advances in Polymer Sciences. 107:1-40.
  2. Simon, H.P.Müller, R.Koch, V.Müller. 1998. Polymer Degradation and Stability. 59(1998) 107-115.
  3. Sandra M. Singer, David M. Northrop, Mary W. Tungol, Walter F. Rowe. Biodeterioration Research, Vol. 3, pp 577-587.
  4. Komarek RJ, Gardner RM, Buchanan CM, Gedon S. 1993. Biodegradation of radiolabelled cellulose acetate and cellulose propionate. Journal of Applied Polymer Science. 50(10): 1739-1746.
  5. Joseph K. Muiruri, Songlin Liu, Wern Sze Teo, Junhua Kong, and Chaobin He. ACS Sustainable Chem. Eng. 5, 5, 3929-3937.
  6. Nina Graupner and Jörg Müssig. International Journal of Polymer Science. Volume 2017, Article ID 6059183, 10 pages, https://doi.org/10.1155/2017/6059183
  7. Kowalczyk, E.Piorkowska, P.Kulpinski, M.Pracella. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. Volume 42, Issue 10, October 2011, Pages 1509-1514
  8. Sonal S. Karkhanis, Nicole M. Stark, Ronald C. Sabo, Laurent M. Matuana. Polymer Engineering and Science. https://doi.org/10.1002/pen.24806
  9. Erin M. Sullivan, Robert J. Moon, and Kyriaki Kalaitzidou. Materials 2015, 8, 8106–8116; doi:10.3390/ma8125447.
  10. Xu, Chunjiang & Lv, Qiaolian & Defeng, wu & Wang, Zhifeng. (2017). Polylactide/cellulose nanocrystal composites: a comparative study on cold and melt crystallization. Cellulose. 10.1007/s10570-017-1233-x.
  11. Sung SH, Chang Y, Han J. Carbohydr Polym. 2017 Aug 1;169:495-503. doi: 10.1016/j.carbpol.2017.04.037. Epub 2017 Apr 21.
  12. Liqing Wei; Nicole M. Stark; Ronald C. Sabo; Laurent Matuana. ings, Forest Products Society International Convention, June 28-29, 2016, Portland, OR.
  13. Luzi, F., Fortunati, E., Jiménez, A., Puglia, D., Chiralt, A., Torre, L. Journal of Renewable Materials, Volume 5, Number 2, April 2017, pp. 103-115(13).
  14. Stephen Spinella, Giada Lo Re, Bo Liu, John Dorgan, Youssef Habibi, Jean-Marie Raquez, Philippe Dubois, and Richard A. Gross. AIP Conference Proceedings 1664, 070019 (2015); https://doi.org/10.1063/1.4918454.
  15. Anju Gupta, William Simmons, Gregory T. Schueneman, Donald Hylton, and Eric A. Mintz. ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 1711−1720.