67 Bab III Metodologi Penelitian III.1 Desain Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh CNC dari sumber yang relatif murah dan ramah lingkungan yang selanjutnya digunakan sebagai nanofiller dalam suatu nanokomposit yang diaplikasikan sebagai membran polimer elektrolit. Untuk mencapai tujuan tersebut, penelitian dibagi menjadi tiga tahap yaitu (1) sintesis BC dengan menggunakan jus limbah kulit nanas sebagai media kultur; (2) isolasi dan optimasi CNC dari BC yang dihasilkan dengan menggunakan jus limbah kulit nanas sebagai media kultur; (3) sintesis dan optimasi membran nanokomposit polimer elektrolit PEO-LiClO 4/CNC. Ketiga tahap tersebut masing-masing dilakukan karakterisasi. Sintesis BC dilakukan melalui proses fermentasi oleh Gluconacetobacter xylinum dengan menggunakan jus limbah kulit nanas sebagai media kultur. BC yang diperoleh kemudian ditentukan rendemennya terhadap kulit nanas serta dikarakterisasi dengan menggunakan spektrometer FTIR untuk mengetahui gugus- gugus fungsi yang terdapat dalam BC, struktur polimorfi, dan kristalinitas relatif; XRD untuk mengetahui struktur polimorfi dan indeks kristalinitas; SEM untuk mengetahui morfologi permukaan dan ukuran partikel BC. Isolasi CNC dari BC meliputi proses hidrolisis dalam asam sulfat, sentrifugasi, dialisis, dan sonikasi. Proses freeze drying dilakukan untuk memperoleh serbuk CNC dari sistem dispersinya. Optimasi kondisi isolasi dilakukan dengan memvariasikan 3 variabel bebas yaitu konsentrasi asam sulfat, waktu hidrolisis, dan suhu hidrolisis. Rendemen CNC terhadap BC dan ukuran partikel CNC digunakan sebagai kriteria penentuan kondisi optimum. Karakterisasi CNC yang dihasilkan meliputi analisis gugus fungsi, struktur polimorfi, dan kristalinitas relatif dengan menggunakan spektrometer FTIR; struktur polimorfi, alomorfi, indeks kristalinitas, dan ukuran kristalit dengan menggunakan XRD; ukuran partikel dengan metoda DLS; ukuran dan bentuk partikel dengan TEM; serta sifat termal secara TGA dan 68 DTG. Secara garis besar alur pelaksanaan penelitian tahap pertama dan kedua ditunjukan pada Gambar III.1. Gambar III.1 Diagram alir penelitian tahap pertama dan kedua Sintesis membran polimer elektrolit dilakukan melalui teknik casting larutan polimer dalam pelarut air. Pertama dilakukan optimasi molar rasio LiClO 4 dalam matriks PEO untuk mendapatkan daya hantar ionik yang memenuhi standar sebagai membran polimer elektrolit. Selanjutnya dilakukan sintesis membran nanokomposit PEO/CNC dengan beberapa komposisi CNC untuk melihat pengaruh penambahan CNC ke dalam matriks PEO. Nanokomposit PEO-LiClO 4/CNC disintesis dengan memvariasikan komposisi LiClO 4 dan CNC. Membran polimer elektrolit kemudian dikaraketrisasi gugus fungsinya dengan FTIR, konduktivitas ionik secara EIS dengan menggunakan alat LCR-meter, sifat mekaniknya dengan alat uji tarik, derajat kristalinitas dan sifat termal dengan DSC, kestabilan termal dengan TGA/DTG, dan morfologi dengan SEM. Secara garis besar alur pelaksanaan penelitian tahap ketiga ditunjukkan pada Gambar III.2. 69 Gambar III.2 Diagram alir penelitian tahap ketiga III.2 Bahan dan Metode Bahan dan perlatan yang digunakan pada penelitian ini berasal dari laboratorium yang ada di ITB dan di luar ITB. Laboratorium yang di luar ITB adalah UPI Bandung, UGM Yogyakarta, UNS Surakarta, Balai Besar Tekstil Bandung, dan Pulitbang Geologi Kelautan (P3GL) Bandung. III.2.1 Bahan Bahan-bahan kimia yang digunakan untuk biosintesis BC dan isolasi CNC diperoleh dari penyedia lokal dengan kualitas teknis, sedangkan bahan-bahan kimia untuk sintesis membran nanokomposit dan keperluan analisis dibeli dari Sigma & Aldrich Chemical Co. dengan kualitas pro analisis. Poli(etilen oksida) yang digunakan sebagai matriks mempunyai berat molekul 600.000 g/mol. Gluconacetobacter xylinum diperoleh dari penyedia lokal. Limbah kulit nanas diperoleh dari perkebunan nanas di Subang, Jawa Barat. 70 III.2.2 Pembuatan Selulosa Bakterial Pembuatan BC dilakukan sesuai metode Anwar dkk. (2015). Untuk penyiapan media kultur, limbah kulit nanas dibersihkan, diblender, diencerkan, dan disterilkan dengan cara memanaskannya hingga mendidih. Keasaman diatur pada pH 4,5 menggunakan asam asetat glasial. Ke dalam media kultur ditambahkan gula pasir 0,75% (m/v) sebagai sumber karbon dan 0,5% (m/v) pupuk amonium sulfat sebagai sumber nitrogen. Inokulum sebanyak 10% (v/v) ditambahkan ke dalam media kultur dan selanjutnya inkubasi di udara terbuka dengan fluktuasi suhu antara 17– 28qC. Nata (pellicles) dipanen setelah 14 hari masa inkubasi dan dicuci dalam air mendidih selama 15 menit, kemudian direndam dalam larutan NaOH 1% dan dibilas dengan air hingga netral. Nata dikeringkan dalam oven pada suhu 70qC selama 48 jam untuk memperoleh film kering BC. Sebagian film kering BC digerus untuk mendapatkan serbuk BC. III.2.3 Optimasi Kondisi Isolasi Nanokristalin Selulosa Isolasi CNC meliputi proses hidrolisis dengan asam sulfat, sentrifugasi, dialisis, dan sonikasi. Optimasi dilakukan dengan memvariasikan 4 variabel bebas kondisi isolasi, yaitu konsentrasi asam sulfat, waktu hidrolisis, suhu, dan rasio antara volume asam sulfat dengan massa BC (rasio asam-BC). Proses optimasi dikarakterisasi dengan kestabilan dispersi, rendemen, dan diameter rata-rata CNC yang diukur dengan alat Beckman Coulter DelsaNano C Particle Analyzer. Optimasi pertama dicapai dengan memvariasikan konsentrasi asam sulfat (40%, 45%, 50%, 55%, dan 60%) pada waktu hidrolisis (30 menit), suhu (50qC), dan rasio asam-BC (50 mL/g) yang tetap. Optimasi kedua dilakukan dengan memvariasikan waktu hidrolisis (5, 15, 25, 30, 35, 40, dan 45 menit) pada konsentrasi asam sulfat optimum yang diperoleh pada optimasi pertama serta suhu dan rasio asam-BC yang tetap seperti pada optimasi pertama. Optimasi ketiga dicapai dengan memvariasikan suhu (40qC, 50qC, dan 60qC) pada konsentrasi asam sulfat dan waktu hidrolisis optimum yang berturut-turut diperoleh dari optimasi pertama dan kedua, sedangkan rasio asam-BC dibuat tetap seperti pada optimasi pertama dan kedua. Optimasi keempat, yaitu variasi rasio asam-BC, tidak dilakukan karena menurut Chang dkk. (2010) pengaruh rasio asam-BC tidak signifikan. Hal yang 71 perlu dipertimbangkan dalam menentukan rasio asam-BC adalah sejumlah massa tertentu BC harus terendam dengan baik dalam sejumlah volume tertentu asam. Pada penelitian ini, dengan menggunakan reaktor hidrolisis yang tersedia (Gambar III.3a), 1 gram BC akan terendam dengan baik dalam 50 mL asam sulfat. Setelah waktu tertentu, proses hidrolisis dihentikan (quenched) dengan cara menuangkannya ke dalam aqua DM bervolume 10 kali lipat. Bagian yang keruh (cloudy) dari sistem dispersi (Gambar III.3b) dipisahkan dan kemudian disentrifugasi pada percepatan 4000 g selama 10 menit.