Pengembangan Hidrogel dari Hidrolisat Kolagen Limbah Padat Kulit Samak dan Aplikasinya sebagai Pelapis Pupuk Lambat Urai

Abstract

Kuli trimming yang merupakan limbah di industri penyamakan kulit memiliki potensi yang besar untuk dimanfaatkan sebagai penghasil hidrolisat kolagen (hkolagen). Pemanfaatan ini dapat meningkatkan produktivitas di industri penyamakan kulit dan sekaligus mengurangi dampak lingkungan yang dihasilkan. H-kolagen dapat dimanfaatkan untuk berbagai hal seperti pembuatan hidrogel superabsorbent. Hidrogel superabsorbent dapat digunakan dalam menghasilkan pupuk lambat urai yang memberikan manfaatan yang lebih disbanding dengan penggunaan pupuk konvensional seperti: meningkatkan retensi dan efisiensi pupuk, mengurangi laju kehilangan pupuk akibat tercuci air hujan atau irigasi, sehingga mengurangi pencemaran lingkungan, menyediakan pasokan nutrisi yang berkelanjutan untuk waktu yang lama, mengurangi frekuensi aplikasi pupuk, meningkatkan pertumbuhan tanaman dan mengurangi kematian tanaman akibat overdosis pupuk, dan mengurangi konsumsi air dan frekuensi irigasi terutama di daerah rawan kering sehingga dianggap ekonomis. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan material hidrogel yang berasal dari h-kolagen limbah padat kulit samak dan aplikasinya sebagai pelapis pada pupuk urea lambat urai (slow urea fertilizer SRUF). Penelitian ini dilakukan dalam tiga tahapan. Tahap pertama adalah pengembangan metode baru dalam ekstraksi h-kolagen dari kulit trimming. Penelitian terkait pengembangan metode ekstraksi h-kolagen dari kulit sapi terutama dari kulit trimming masih terbatas. Penelitian terdahulu lebih berfokus pada ekstraksi kolagen atau gelatin. Metode baru yang dikembangkan terdiri atas empat tahap, yaitu pertama adalah penghilangan garam, bulu, lemak dan pengotor. Kedua adalah pretreatment dengan 0,75 M NaOH selama 24 jam untuk menghilangkan protein non kolagen dan menganggu struktur triple-helix kolagen. Ketiga adalah ekstraksi panas bertingkat pada suhu 60, 65, dan 70°C masingmasing selama 3 jam untuk menghasilkan gelatin dan keempat adalah hidrolisis enzimatik dengan 0,8% tripsin untuk menghasilkan h-kolagen. Metode ekstraksi ini mampu menghasilkan h-kolagen dengan rendemen sebesar 20,35%. Analisis bobot molekul, FTIR dan komposisi asam amino mengkonfirmasi bahwa produk yang dihasilkan merupakan h-kolagen dengan ukuran bobot molekul sebesar 16-23 kDA. H-kolagen ini memiliki aktivitas antioksidan yang lebih baik dibanding dengan hkolagen komersial dengan nilai IC50 sebesar 238,5 ppm. H-kolagen yang dihasilkan dari penelitian tahap pertama selanjutnya digunakan untuk menghasilkan hidrogel superabsorbent pada penelitian tahap kedua. Pembuatan hidrogel superabsorbent dari polimer alam saat ini lebih difokuskan karena bersifat non-toksik, memiliki biokompatibilitas yang baik dan dapat terdegradasi secara alami. H-kolagen yang merupakan polimer alam dapat dikembangkan menjadi hidrogel superabsrobent melalui modifikasi dengan monomomer sintentik asam akrilat menggunakan teknik kopolimerisasi cangkok (graft copolymerization). Kondisi reaksi optimum untuk memperoleh daya serap air maksimum (156 g/g) ditemukan pada: MBA 0,14 g dan AA 4,7 g. Pengukuran pembengkakan hidrogel dalam larutan garam yang berbeda menunjukkan kapasitas pembengkakan paling besar dalam larutan KCl. Hidrogel superabsorbent menunjukkan sensitivitas yang cukup baik terhadap pH, sehingga beberapa perubahan pembengkakan hidrogel diamati sebagai fungsi dari variasi pH dalam rentang yang luas (1-13). Analisis instrumen FTIR mengkonfirmasi bahwa telah terjadi pencangkokan monomer AA pada backbone h-kolagen. Sedangkan SEM mengkonfirmasi bahwa hidrogel yang dihasilkan memiliki struktur yang berpori. Pada tahap terakhir penelitian ini dilakukan pelapisan pupuk urea dengan hidrogel superabsorbent h-collagen-g-poly(acrylic acid) yang dihasilkan pada penelitian tahap kedua untuk menghasilkan pupuk urea lambat urai. Pelapisan pupuk dengan hidrogel dilakukan dengan menambahkan pupuk urea murni pada campuran reaksi sehingga terjadi polimerisasi in situ, yang mana pupuk akan terperangkap di dalam matriks gel. Pengujian kadar nitrogen dengan metode microKjeldahl menunjukkan bahwa SRUF mengandung 5,58% nitrogen dengan daya serap air sekitar 110,8 (g/g) kali beratnya dalam air suling. Percobaan kapasitas penahanan air menunjukkan bahwa rasio menahan air terbesar adalah 27,78% lebih tinggi daripada penahan air tanpa adanya SRUF dengan rasio massa SRUF terhadap tanah sebesar 1:100. Hal ini mengindikasikan bahwa SRUF yang dihasilkan dapat meningkatkan water holding capacity pada tanah dan secara efisien dapat menyimpan air hujan atau air irigasi sehingga meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber daya air. Pelepasan nitrogen dari SRUF pada media tanah jauh lebih lambat dibandingkan dengan pupuk urea murni. Pupuk SRUF hanya dapat melepaskan sekitar 45% nitrogen selama 10 hari sedangkan pupuk urea dapat melepaskan sebesar 83%. Dengan demikian SRUF yang dihasilkan pada penelitian ini dapat disebut sebagai pupuk lambat urai. Pada pengujian dalam media air SRUF dapat melepaskan sekitar 47% nitrogen selama 120 menit. Berdasarkan kinetika release yang terjadi, terdapat perbedaan model kinetic antara SRUF yang dihasilkan dengan pupuk urea. Kinetika pelepasan SRUF pada media tanah mengikuti model kinetika orde nol dengan nilai R2 sebesar 0,9996. Artinya kecepatan pelepasan nitrogen dari SRUF tidak bergantung pada konsentrasi awal nitrogen dalam SRUF dan selalu konstan dari waktu ke waktu.

Leather trimming waste in the leather tanning industry has great potential to produce collagen hydrolyzate (h-collagen). This utilization can increase productivity in the tanning industry while simultaneously reducing the environmental impact. H-collagen can be utilized for a number of purposes, including the production of superabsorbent hydrogels. Slow-release fertilizers made from superabsorbent hydrogels provide more benefits than conventional fertilizers, such as increasing fertilizer retention and efficiency, reducing the rate of fertilizer loss due to washing away by rainwater or irrigation, thereby reducing environmental pollution, providing a sustainable supply of nutrients for a long period of time, reducing the frequency of fertilizer application, increasing plant growth, and decreasing plant mortality. Therefore, this study aims to produce hydrogel material derived from h-collagen solid waste of leather and its application as a coating on slow-release urea fertilizer (SRUF). This research consists of three stages. The first stage is the development of a new method for the extraction of h-collagen from skin trimming. Research on developing h-collagen extraction methods from cowhide, especially leather trimming, is still limited. Prior research has concentrated primarily on the extraction of collagen and gelatin. The newly developed method consists of four steps, namely the first is the removal of salt, hair, grease, and impurities. The second is pretreatment with 0.75 M NaOH for 24 hours to remove non-collagen proteins and disrupt collagen's triple-helix structure. The third is stepwise hot extraction at 60, 65, and 70°C for 3 hours each to produce gelatin, and the fourth is enzymatic hydrolysis with 0.8% trypsin to produce h-collagen. This extraction method can produce h-collagen with a yield of 20.35%. Molecular weight analysis, FTIR, and amino acid composition confirmed that the resulting product was h-collagen with a molecular weight of 16-23 kDa. This H-collagen has higher antioxidant activity than commercial h-collagen, with an IC50 value of 238.5 ppm. The h-collagen produced in the first stage of research was then used to produce superabsorbent hydrogels in the second stage of research. The production of superabsorbentt hydrogels from natural polymers is currently receiving more attention because they are non-toxic, biocompatible, and biodegradable. H-collagen, a natural polymer, can be developed into a superabsorbent hydrogel by modification with acrylic acid synthetic monomer using the graft copolymerization technique. The optimum reaction conditions for maximum water absorption (156 g/g) were found at: MBA 0.14 g and AA 4.7 g. Measurement of the swelling of the hydrogel in different salt solutions showed the greatest swelling capacity in the KCl solution. The superabsorbent hydrogels showed reasonably good sensitivity to pH, so some changes in hydrogel swelling were observed as a function of pH variations over a wide range (1-13). FTIR analysis confirmed that AA monomer had been grafted onto the h-collagen backbone. Meanwhile, SEM confirmed that the resulting hydrogel has a porous structure. In the last stage of this research, urea fertilizer was coated with hydrogel superabsorbent h-collagen-g-poly(acrylic acid) to produce slow-release urea fertilizer (SRUF). Fertilizer coating with hydrogel was performed by adding urea fertilizer to the reaction mixture so that in situ polymerization occurs, in which the fertilizer will be trapped in the gel matrix. Nitrogen content testing using the microKjeldahl method showed that SRUF contained 5.58% nitrogen with a water absorption capacity of about 110.8 (g/g) times its weight in distilled water. The water-holding capacity experiment showed that the largest water-holding ratio was 27.78% higher than that of water-holding without SRUF with a mass ratio of SRUF to the soil of 1:100. This indicates that the resulting SRUF can increase the water holding capacity of the soil and can efficiently store rainwater or irrigation water thereby increasing the efficiency of water resource utilization. The release of nitrogen from SRUF in the soil is significantly slower than that of pure urea. SRUF fertilizer can only release about 45% of its nitrogen for ten days, whereas urea fertilizer can release 83%. Thus, the SRUF produced in this study can be referred to as slow-degrading fertilizer. On testing in aqueous media, SRUF can release about 47% nitrogen for 120 minutes. Based on the release kinetics, there were differences in the kinetic model between the SRUF and urea fertilizer. The kinetics of SRUF release in soil media followed the zero order kinetic model with an R2 value of 0.9996. It means that the rate of nitrogen release from the SRUF does not depend on the initial concentration of nitrogen in the SRUF and is constant over time.