ICTS – Innovation Center for Tropical Science

Nanoselulosa dan Potensinya sebagai Material Fungsional

Bicara mengenai nanoteknologi di masa sekarang bukanlah sesuatu yang baru. Berbagai produk hasil nanoteknologi telah banyak dikembangkan dan diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari, termasuk nanoselulosa. Selulosa sendiri adalah polimer alami yang jumlahnya melimpah di bumi. Secara kimia, ilmuwan A. Payen pada tahun 1842 telah menuliskan bahwa komposisi elemental selulosa terdiri dari 44-45% karbon, 6-6.5% hidrogen dan sisanya adalah oksigen. Selulosa tersusun atas unit anhidro-D-glukopiranosa yang dihubungkan oleh ikatan β (1-4) glikosidik, yakni ikatan beta pada atom karbon nomor 1 (C1) dan atom karbon nomor 4 (C4) dari dua unit glukosa yang berdekatan.

Gambar 1. Struktur kimia selulosa sebagai repeat unit anhidro-D-glukopiranosa

Ekstraksi nanoselulosa dapat dilakukan dari material berkayu seperti pohon, maupun non kayu seperti rumput, kapas dan limbah pertanian. Ekstraksi dilakukan melalui proses kimiawi mekanis maupun enzimatis. Proses kimiawi menggunakan asam kuat dan perlakuan mekanis menjadi preferensi yang banyak digunakan untuk ekstraksi
nanoselulosa karena lebih efisien. Proses ekstraksi nanoselulosa dari pulp/selulosa yang juga mulai dikembangkan beberapa dekade terakhir adalah metode oksidasi menggunakan 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical (TEMPO). Nanoselulosa yang dihasilkan adalah TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils atau banyak disingkat di dalam literatur menggunakan TOCNs. Metode lain yang dikembangkan oleh Tetsuo Kondo dari Jepang adalah metode aqueous collision counter (ACC). Metode ini memanfaatkan waterjet bertekanan tinggi untuk menghancurkan rantai polisakarida selulosa hingga mendapatkan nanoselulosa melalui proses penghancuran yang berulang hingga 180 kali siklus.
Selulosa tidak dapat ditemukan murni di alam. Pada material berlignoselulosa, ia berasosiasi dengan lignin dan hemiselulosa. Oleh karena itu, pra-perlakuan dibutuhkan untuk ekstraksi nanoselulosa, yakni untuk memisahkan lignin dan hemiselulosa. Caranya dengan kimiawi menggunakan proses pulping menggunakan proses sulfite ataupun alkali.
Nanoselulosa dalam bentuk aqueous dapat dikeringkan pada suhu 40ºC menggunakan oven dan menghasilkan membran. Membran yang dihasilkan dari nanoselulosa memiliki kekuatan mekanik yang tinggi dan bersifat rigid (kaku). Oleh karena itu, pemanfaatan nanoselulosa sebagai kerangka membran umumnya dilakukan dengan penambahan
bahan plastis seperti poly etilen glikol (PEG), gliserol maupun alginat.

Gambar 2. Ilustrasi pembuatan membran nanoselulosa (Foto: Novitri Hastuti)

Permukaan nanoselulosa yang memiliki gugus fungsional seperti gugus karboksilat memungkinkan ia untuk dimodifikasi secara kimia melalui esterifikasi ataupun polimerisasi dengan senyawa kimia lainnya. Begitu pula dalam pembuatan membran nanoselulosa yang dipolimerisasi dengan senyawa konduktif sehingga menghasilkan membran konduktif yang dapat digunakan sebagai perangkat elektronik. Pembuatan membran nanoselulosa yang memanfaatkan pembentukan mikropori oleh orientasi nanoselulosa didalam matriks membran, memungkinkan pemanfaatannya sebagai filtering membrane atau membran penyaring untuk pemisahan komponen. Sifat mekanik nanoselulosa yang tinggi juga memungkinkan nanoselulosa digunakan sebagai bahan immobilisasi material. Hasil penelitian yang dilakukan penulisa menunjukkan bahwa penggunaan nanoselulosa dalam matriks gel alginat sebagai bahan immobilisasi bakteri fermentasi dalam produksi butanol mampu mempertahankan kelangsungan hidup bakteri lebih baik. Dampak lanjutannya, produksi biobutanol yang dihasilkan juga lebih banyak dibandingkan hasil dari bakteri yang diimobilisasi di gel alginat tanpa nanoselulosa. Hasil studi lain juga menunjukkan pemanfaatan 3D printing hidrogel nanoselulosa. Hidrogel ini sangat potensial dikembangkan untuk bidang medis sebagai bahan implan ataupun rekayasa jaringan organ. Hal ini seperti dipublikasikan oleh Jenni Leppiniemi dan co-authors pada tahun 2017 di jurnal ACS Applied Material & Interfaces.

Gambar 3. Hidrogel Nanoselulosa (Gambar: Leppiniemi et al., 2017)

Akira Isogai dalam reviewnya yang ditulis di Journal of Wood Science tahun 2013, menyebutkan potensi pemanfaatan nanoselulosa di masa depan yang cukup besar sebagai new bio-based nanomaterials. Alasannya, nanoselulosa berasal dari bahan yang diperbaharui, teknologi pemurnian selulosa melalui pulping dan pemutihannya (bleaching) telah eksis di industri pulp dan kertas. Dengan berkembangnya nanoteknologi di masa depan dan trend pemanfaatan bahan yang berkelanjutan dalam dunia industri, memungkinkan pemanfaatan nanoselulosa sebagai material fungsional yang menjanjikan.

Oleh: Dr. Novitri Hastuti

Peneliti Pusat Litbang Hasil Hutan, Kementerian Lingkungan Hidup dan Kehutanan RI

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *