84910141 Ion Exchange Recovery of Protein (2)

5/16/2018 84910141 Ion Exchange Recovery of Protein (2) - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/84910141-ion-exchange-recovery-of-protein-2 1/12

ION EXCHANGE RECOVERY OF PROTEIN

( PERTUKARAN ION PEMULIHAN PROTEIN )

I. PENDAHULUAN

Pertukaran ion diartikan sebagai pertukaran ion-ion yang bermuatan sama

antara larutan dengan suatu bahan yang padat serta tak dapat larut. Penukar ion dapat

berupa suatu zat dan penukar itu sendiri adalah zat padat tertentu yang dapat

membebaskan ionnya ke dalam larutan ataupun menggantikan ion lain dari ion

larutan. Resin adalah senyawa hidrokarbon terpolimerisasi sampai tingkat yang tinggi

yang mengandung ikatan-ikatan hubung silang (cross-linking) serta gugusan yang

mengandung ion-ion yang dapat dipertukarkan. Penggunaannya dalam analisis kimia

misalnya untuk menghilangkan ion-ion pengganggu, memperbesar konsentrasi

jumlah ion-ion renik, proses deionisasi air atau demineralisasi air, memisahkan ion-

ion logam dalam campuran dengan kromatografi penukar ion. Berdasarkan gugus

fungsionalnya, resin penukar ion terbagi menjadi dua yaitu resin penukar kation dan

resin penukar anion. Resin penukar kation mengandung kation yang dapat

dipertukarkan, sedang resin penukar anion mengandung anion yang dapat yang dapat

dipertukarkan. Secara umum rumus struktur resin penukar ion yang dapat merupakan

resin penukar kation (Gambar 1) dan resin penukar anion (Gambar 2).

Gambar 1. Resin Penukar Kation



Gambar 2. Resin Penukar Anion

Pertukaran ion sebagai teknologi untuk pemulihan bahan seperti logam dikenal

dan telah digunakan pada industri selama bertahun-tahun. Penukar ion ini didasarkan

pada bahan sintetis dan penggunaannya terbatas pada pemulihan ion-ion

kecil meskipun banyak upaya telah dilakukan untuk pemulihan makromolekul.

Salah satu kelemahan utama dari exchanger ini bila digunakan untuk

pemulihan makromolekul organik adalah struktur halus dari molekul akan terganggu.

Misalnya pada protein, yang tidak dapat diperoleh kembali tanpa

mengalami denaturasi. Selain itu kapasitas adsorpsi umumnya kecil.

Produksi penukar ion yang sesuai untuk pemulihan protein dan makromolekul

lainnya yang serupa dari larutan hanya terbatas pada penukar hidrofilik berdasarkan

selulosa alami. Namun untuk waktu yang lama teknologi ini terbatas pada

penggunaan laboratorium karena terbukti sangat penting untuk analisis protein dan

isolasi pada skala laboratorium.

Generasi kedua penukar ion hidrofilik juga didasarkan pada selulosa, tetapi

pada selulosa regenerasi. Penukar ion ini telah dikembangkan di Negara Selandia



Baru dan Inggris. Pada penukar ion generasi kedua, memiliki beberapa keunggulan

seperti memiliki kapasitas yang sangat baik untuk protein, memiliki struktur granular

yang memberikan sifat hidrolik yang lebih baik dan dapat digunakan pada skala yang

lebih besar. Karakteristik penukar ion dengan resin sintetik dan penukar ion

makromolekular ( hirofilik) dapat dilihat pada table di bawah ini :

Tabel 1. Karakteristik Penukar Ion

Penukar Ion Kecil Menggunakan Resin Sintetik

Kegunaan De-ionisasi, water treatment, pemulihan

logam

Pembatasan Resin tidak dapat menyerap makromolekul

dengan baik. Contohnya protein, tidak dapat

diserap tanpa merusak molekul protein

Penukar Ion Makromolekular ( Hidrofilik)

Generasi Pertama Berdasar pada selulosa alami

Kapasitas baik, protein tidak mengalami

denaturasi, tetapi serat menghalangi

penggunaan pada skala besar

Generasi Kedua Berdasar pada selulosa regenerasi

Kapasitas yang sangat baik untuk protein,

struktur granular memberikan sifat hidraulik

yang lebih baik dan dapat digunakan pada

skala besar

Generasi Ketiga Berdasar pada modifikasi,

menggunakan selulosa regenerasi



II. PEMBAHASAN

A. TIPE PENUKAR ION HIDROFILIK

Pertukaran ion merupakan proses pertukaran kimia yaitu zat yang tak

dapat larut, memisahkan ion bermuatan positif atau negatif dari larutan elektrolit

dan melepaskan ion bermuatan sejenis ke dalam larutan yang secara kimiawi

jumlahnya sama. Proses pertukaran ion ini tidak menyebabkan perubahan struktur

fisik dari resin penukar ion. Penukar ion selulosa regenerasi tersedia dalam bentuk

asam atau basa kuat dan lemah tergantung dengan jenis utama dari resin

pertukaran ion konvensional. Jenis utama yang dikembangkan adalah

karboksimetil diehylaminoethyl, sulfopropyl, dan turunan dasar kuaterner.

Gugusan fungsional asam (atau basa) suatu resin penukar ditempati oleh ion-iondengan muatan berlawanan. Ion yang labil adalah H

+pada penukar kation. Resin

dengan gugusan sulfonat atau amina kuartener adalah terionisasi kuat, tidak larut

dan sangat reaktif. Resin-resin demikian disebut resin penukar kuat, sedangkan

gugusan ion yang terionisasi secara parsial seperti > COOH, -OH, dan NH2

dikenal sebagai resin penukar yang lemah Karakteristik ionisasi untuk resin

tersebut ditentukan dengan titrasi menggunakan glass electrode dan ditandai

dengan adanya garam. Rentang PH yang bekerja secara efektif adalah sekitar 2-

12.

B. ADSORSI DAN DESORPSI PROTEIN MURNI

Dalam pertukaran ion, suatu larutan resin dibiarkan mengalir melewati

suatu susunan bahan yang terbuat dari butiran zeolit atau suatu resin pertukaran

ion. Ion-ion dalam larutan menjadi terikat pada bahan itu dan kemudian menggeser

ion yang sama tandanya. Pada proses pertukaran ion , larutan yang melalui kolom

disebut influent , sedangkan larutan yang keluar kolom disebut effluent . Proses

pertukarannya adalah serapan (adsorpsi) dan proses pengeluaran ion adalah

desorpsi atau elusi sedangkan regenerasi merupakan proses mengembalikan resin

yang sudah terpakai kebentuk semula. Kapasitas penerobosan (break through

capacity) didefinisikan sebagai banyaknya ion yang dapat diambil oleh kolom



pada kondisi pemisahan; dapat juga dikatakan sebagai banyaknya miliekivalen ion

yang dapat ditahan dalam kolom tanpa ada kebocoran yang dapat teramati.

Gambar 3. Kurva Adsorpsi Protein

Gambar 3 menunjukan tipikal siklus adsorpsi-desorpsi untuk pertukaran

resin regenerasi selulose anion DEAE (Diethylaminoethyl) dan 0,1% larutan

bovine serum albumin encer. Konsentrasi protein dipantau dalam kolom efluen

dengan pengukuran adsorpsi sinar UV pada panjang gelombang 280 nm. Garis

yang benar-benar datar menunjukkan penyerapan protein total sampai ke titik

terobosan (breakthrough point ). Hal ini ditandai dengan tidak adanya kekeruhan

ketika asam phosphotungstic ditambahkan ke kolom efluen. Kurva serapan dapat

dibandingkan dengan kurva serupa yang diperoleh dengan kolom identik dari

resin tipe kondensasi berpori. Dapat dilihat bahwa dalam kasus ini penerobosan

terjadi sangat cepat setelah larutan tersebut diterapkan pada kolom Absorbansi UV

diukur pada 280 nm adalah berbanding lurus dengan konsentrasi protein untuk larutan protein murni.



Gambar 4. Kurva Adsorpsi Protein

Pada gambar 3 dan 4 baseline pada awalnya disesuaikan dengan

menggunakan air suling, dan tinggi puncak pertama dalam setiap kasus

menunjukkan adsorpsi yang disebabkan oleh tes larutan bovine serum albumin.

Volume selama penyerapan UV turun ke tingkat (H2O) kosong menunjukkan

volume di mana penyerapan protein lengkap diperoleh dalam setiap kasus.

Setelah terobosan kolom resin selulosa dicuci dengan air sampai

absorbansi UV menjadi nol. Kemudian larutan regenerant yang terdiri dari 0,5 M

natrium hyroxide ditambahkan. Biasanya regenerasi lengkap dicapai dengan satu

bed volume regenerant diikuti oleh pembilasan dengan 2 bed volume air.

Sebaliknya, puncak regenerasi untuk kondensasi berpori tipe resin adalah kecil dan

asimetris menunjukkan serapan protein minimal.

C. SISTEM PERTUKARAN ION

Agar pertukaran ion dapat berjalan dengan baik maka diperlukan cara

yang efektif yang untuk memisahkan padatan dari cairan. Hal ini dapat dicapaidengan menggunakan kolom, fixed-bed , fluidized bed ,agitated column, atau stirred

tank . Pemilihan sistem tergantung pada sifat dari penukar atau sifat dari material

yang akan diperlakukan. Misalnya, sistem stirred tank lebih berhasil digunakan

daripada fixed bed column untuk bahan dengan padatan bersuspensi tinggi. Ketika



lemak hadir, kolom agitasi atau stirred tank lebih cocok digunakan untuk

membantu dalam menghilangkan lemak. Eluates dengan konsentrasi lebih tinggi

dapat diperoleh ketika kolom yang digunakan.

D. APLIKASI PERTUKARAN ION HIDROFILIK

1. ABATTOIR EFFLUENT TREATMENT

a. Teknik Column

Kolom atau bed yang digunakan adalah dari jenis konvensional,

dilengkapi dengan sarana untuk fluidisasi dan pencucian (backwashing).

Abattoir effluent sangat mencemari karena nilai BOD (Biological Oxygen

Demand) yang tinggi dan kontaminan utama lemak sedang dan protein. Padaumumnya, effluent mengandung sejumlah besar bahan yang tidak dapat larut

seperti lemak, dan jika diterapkan secara langsung pada bed resin akan

menyebabkan penyumbatan sehingga terjadi pengurangan laju aliran. Oleh karena

itu, pada effluent harus dikenakan pretreatment yang terdiri dari flokulasi dan

flotasi udara untuk menghilangkan partikulat dan lemak. Kombinasi perlakuan

jenis ini menggunakan penukar anion selulosa DEAE yang telah memberikan

penurunan BOD lebih dari 95%. Bentuk umum dari kurva adsorpsi dan terobosan

dapat dilihat pada kurva di bawah ini.

Gambar 5. Kurva Column Breakthrough



Gambar 6. Kurva Column Breakthrough

Kolom resin diregenerasi dengan larutan NaOH dari 15% NaCl 3,5

kemudian diikuti dengan bilasan air. Karena resin DEAE merupakan fungsi basa

kuat dan efluen mengandung garam maka dapat dilihat pada kurva, pH awal

sangat tinggi yaitu berkisar di angka 10-11 pada 10-15 bed volume pertama.

Kemudia lama-kelamaan pH tersebut menurun menjadi 9 pada 30-50 bed volume

selanjutnya. Sehingga semakin banyak bed volume efluen maka pH akan semakin

menurun. Dalam kondisi normal baik warna maupun konsentrasi protein pada

efluen minimal sampai terobosan terjadi biasanya pada angaka 40-100 BV

tergantung pada kekuatan efluen.

Penggukuran permintaan oksigen kimia (COD) menghasilkan kurva di

mana nilai sisa yang cukup konstan sebesar 5-20% dari nilai COD awal

dipertahankan sampai titik terobosan. Hal ini disebabkan oleh adanya effluent

senyawa organik tidak bermuatan, seperti karbohidrat, urea, dll, yang tidak

teradsorpsi oleh resin. dan juga komponen protein MW rendah yang telah hancur

yang dihasilkan oleh bakteri dalam effluent. Dari kurva dapat dilihat bahwa setelah

terobosan kurva protein cenderung tertinggal di belakang kurva kepadatan optik

dan COD tertinggal dari kurva protein. Siklus adsorpsi diakhiri pada titik

terobosan dan resin bed diregenerasi dengan larutan garam alkali 1 BV.



Regenerant yang dihabiskan dalam bed pertukaran ion terdiri dari larutan

protein terkonsentasi maka harus dilakukan treatment untuk menghilangkan

bahan-bahan organik dan mengurangi tingkat BOD.

b. Metode Continuous

Pada metode ini, efluen bersama dengan aliran media selulosa, dimasukkan

ke dalam tangki diaduk (stirred tank ) kemudian protein diserap dan suspensi

dibiarkan mengalir ke kerucut menetap pertama ( first settling cone) di mana

media, dengan protein terserap ditransfer ke kerucut kedua kemudian protein di

desorbed dengan penambahan garam. Medium diperbolehkan untuk menetap dan

larutan protein meluap. Medium ditransfer ke kerucut ketiga untuk dicuci dandiregenerasi, dan siap untuk didaur ulang.

Gambar 7. Diagram alir sistem pertukaran ion continuous

2. WHEY TREATMENT

Whey merupakan hasil samping (by product ) dari pembuatan keju

sehingga tidak dapat dipisahkan dari industri keju. Pembuatan keju secara

tradisional ataupun modern menghasilkan whey dalam jumlah yang banyak yaitu

kurang lebih 83% dari volume yang digunakan. Sejak diketahui whey masih

mengandung nutrisi yang tinggi di antaranya protein, laktosa, dan mineral maka

whey masih bisa dimanfaatkan sebagai nutrisi bagi manusia. Whey merupakan

protein yang tidak mengalami presipitasi karena asam, dan mencerminkan sekitar

20% dari total kandungan protein.



Whey keju adalah sumber protein yang sangat jelas berkualitas dan dapat

diolah dengan metode pertukaran ion. Keju atau kasein wheys mengandung

albumin dan globulin susu yang bersama-sama berjumlah sekitar 20% dari protein

susu. Biasanya, whey mengandung protein 0,6%, mineral 0,6%, lemak 0,06% dan

laktosa 4,6%. Jumlah total padatan whey sebesar 60 g l-1 dimana 6 g protein

merupakan protein yang berguna.

Metode pemisahan yang digunakan untuk whey treatment yaitu dengan

dasar penyaringan bawah pada tangki reaktor yang diaduk ( filter bottom strirred

tank reactor ). Metode ini menggunakan tangki yang dilengkapi saringan bawah

dan reksi ini terjadi di atas saringan. Why ditarik menuju reaktor emudian pH

diatur dan protein diserap ke dalam medium. Deproteinized whey dihilangkanmelalui saringan kemudian pada proses pemurnian, media yang mengandung

protein dicuci agar terbebas dari kotoran. Setelah itu air ditambahkan dan pH

diatur untuk melepaskan protein ke dalam larutan. Setelah desorpsi selesai, larutan

protein dikonsentrasikan dan disemprot kering untuk menghasilkan bubuk protein

putih.

3. LIMBAH PROTEIN LAINNYA

Selain limbah keju, limbah lainnya yang telah berhasil diatasi dengan

metode pertukaran ion adalah efluen kentang dan efluen penyulingan. Penggunaan

metode ini untuk sangat efisien untuk pemulihan protein. Komposisi dari produk

protein yang dapat dipulihkan ( protein product recovered ) dari beberapa imbah

dapat dilihat pada tabel di bawah ini:

Tabel 2. Protein yang Dipulihkan dari Limbah Pembuatan Makanan dengan

Metode Pertukaran Ion



Waste StreamProtein N (g l

-1) Removal

of Protein Before After

Potato effluent 0.78 0.035 95.5

Distillery effluent 0.48 0 100.0

Animal by product 0.52 0.036 93.0

Tabel 3. Typical Analysis of Proteins Isolated by Ion Exchange from some Process

Effluents

Process effluent Protein (%) Ash (%)

Soy 92 4

Potato 94 1.5

Rapessed 95 3

III. KESIMPULAN

Pertukaran ion merupakan pertukaran ion-ion yang bermuatan sama antara

larutan dengan suatu bahan yang padat serta tak dapat larut, memisahkan ion

bermuatan positif atau negatif dari larutan elektrolit dan melepaskan ion bermuatan

sejenis ke dalam larutan yang secara kimiawi jumlahnya sama. Proses pertukaran ion

ini tidak menyebabkan perubahan struktur fisik dari resin penuar ion.

Penukar ion hidrofilik yang berdasar pada selulosa dapat digunakan untuk

pemulihan protein. Di dunia industri hal ini sangat penting untuk mengolah produk

samping (limbah) yang masih bernilai gizi tinggi misalnya pada whey yang masih

memiliki kandungan protein tinggi.



RESUME MIKROBIOLOGI INDUSTRI

“ION EXCHANGE RECOVERY OF PROTEIN”

(PERTUKARAN ION PEMULIHAN PROTEIN)

Disusun oleh :

1. TrismitaWidyasari (09932)

2. Moh Hidayatullah (09934)

3. Fahrudin (09937)

4. Muhammad Agil Muharom (09938)

5. Erwin Dwi Rendrahadi (09946)

JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2011

Documents

84910141 Ion Exchange Recovery of Protein (2)