AGRI WRITING COMPETITION 2020 KEMENTRIAN PERTANIAN REPUBLIK INDONESIA OLED (Organic Light-Emitting Diode) sebagai Pengganti Sinar Matahari Berbahan Biomaterial Nanofibril Selulosa dari Limbah Sekam Padi pada Pertanian Vertikal untuk Solusi Lahan Sempit

AGRI WRITING COMPETITION 2020
KEMENTRIAN PERTANIAN REPUBLIK INDONESIA
OLED (Organic Light-Emitting Diode) sebagai Pengganti Sinar Matahari Berbahan Biomaterial Nanofibril Selulosa dari Limbah Sekam Padi pada Pertanian Vertikal untuk Solusi Lahan Sempit



Diusulkan oleh:
Agung Prakoso (M0318006)

UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2020
Pendahuluan
Sebagaimana yang telah dilansir oleh Republika pada 12 Maret 2020, keterbatasan lahan merupakan tantangan utama dalam bidang pertanian. Hal ini diungkapkan oleh Moeldoko, ketua Himpunan Kerukunan Tani Indonesia (HKTI). Beliau menyebut bahwa lahan itu menyusut seiring perkembangan industri dan perubahan iklim. Hampir 120.000 hektar beralih fungi setiap tahun menurut laporan Badan Pusat Statistika (BPS) yang dikutip oleh Moeldoko. Permasalahan ini tentu saja perlu diperhatikan secara khusus mengenai penanganan yang cocok terhadap kondisi di Indonesia. Salah satu solusinya adalah pembangunan pertanian vertikal.
Sumber daya alam (SDA) di Indonesia sangat berkelimpahan yang harus diolah dan dimanfaatkan demi kesejahteraan umat manusia. Dari sekian banyak SDA ini, salah satu yang berpotensial sebagai sumber energi, sumber pangan, dan sumber manfaat lainnya adalah tanaman padi dan hasil pengolahannya. Produksi padi di Indonesia pada tahun 2018 mencapai 56.537.774 ton sesuai data dari BPS. Produk samping penggilingan padi berupa limbah sekam padi yang berasal dari sisa kulit padi dalam jumlah banyak. Persentasenya dapat  mencapai 20-22% (Trivana dkk., 2015). Meski sekam padi begitu melimpah, pemanfaatan potensinya masih dinilai kurang optimal (Coniwanti dkk., 2018). Kandungan selulosa, hemiselulosa, dan ligninnya secara berurutan sebesar 31,12%; 22,48%; dan 22,34% (Kumar dkk., 2010). Kandungan selulosa dalam sekam padi dapat dimodifikasi menjadi produk-produk yang kaya manfaat. Salah satunya adalah sebagai biomaterial substrat polimer untuk organic light-emitting diode (OLED). OLED ini dapat dimanfaatkan sebagai pengganti sinar matahari.
OLED dari Nanofibril Selulosa
Seperti diuraikan oleh Karnawat dkk. (2020), pertanian vertikal dilakukan untuk upaya penjagaan ketahanan pangan dari pengaruh pertambahan populasi penduduk dan alih fungsi lahan. Tentu saja perubahan dari pertanian horizontal dengan sistem lahan terbuka menuju pertanian vertikal dengan sistem tertutup dalam bangunan membutuhkan teknologi yang lenih maju. Hal itu perlu dilakukan mengingat sumber pertumbuhan tanaman seperti cahaya matahari akan terkurangi dan terbatas secara alamiah. Oleh karena itu, pengembangan sumber cahaya buatan untuk proses fotosintesis perlu dilakukan. Salah satu produk pengganti cahaya matahari yang ramah lingkungan adalah OLED berbahan nanofibril selulosa.
Dalam budidaya tanaman, cahaya yang masuk mempengaruh reaksi fotokimia yang terjadi saat fotosintesis. Untuk proses fotosintesis, foton yang digunakan  memiliki panjang gelombang 400-700 nm (Kozai dkk., 2016). OLED dapat digunakan sebagai sumber energi foton tersebut yang cocok untuk pertanian vertikal. OLED yang digunakan untuk lahan pertanian ini harus memiliki produk dan perangkat layar luas, transparan, dan fleksibel. Inilah yang disebut era baru OLED (Song dkk., 2020). OLED meupakan LED sederhana yang bahannya terbuat dari bahan organik dimana lapisannya berbasis karbon semikonduktor (Icli, 2017). Salah satu bahan yang tepat adalah nanofibril selulosa.
Bahan yang dipilih dalam produksi OLED adalah selulosa yang diolah menjadi nanofibril selulosa. Selulosa menjadi suatu komponen utama pada serat tumbuhan. Dengan bentuk polisakarida, selulosa dibentuk oleh ikatan-ikatan glikosidik (Aoki dan Saito, 2020). Biomaterial ini sangat cocok karena terurai secara alami (biodegradabel), aman untuk jaringan hidup organisme (biokompatibel), dan tidak bersifat racun (Ooi dkk., 2015). Selulosa dipurifikasi agar terpisah dari hemiselulosa, lignin, dan berbagai protein. Pemurnian ini biasa menggunakan reaksi enzimatis dan kimiawi (Dumanli, 2017). Akan tetapi, pengolahan secara enzimcatis dan kimiawi yang relatif mahal dan menimbulkan limbah baru terutama limbah kimia menjadi masalah lain. Proses produksi dengan teknik microwave telah dipilih sebagai metode untuk mengurangi limbah hasil pretreatment selulosa. Microwave memiliki efisiensi dan selektivitas tinggi sehingga cocok untuk biomaterial padat seperti poses delignifikasi pada pretreatment selulosa (Zhou dkk, 2017). Proses yang murah dan efisien dalam pemilihan proses produksi, sekam padi akan menjadi keuntungan bagi masyarakat Indonesia khususnya secara ekonomi dan lingkungan.

Gambar Selulosa
Produksi dapat dilakukan dengan defibrilasi lignoselulosa secara mekanis: tekanan tinggi, penggilingan, dan cryocrushing. Lignoselulosa terdiri oleh selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Pretreatment perlu dilakukan untuk menghilangkan hemiselulosa dan lignin dan menghasilkan selulosa murni. Pretreatment biasa dilakukan dengan bahan-bahan kimia. Karena upaya zero waste dalam proses produksi ini, penggunaan bahan kimia ditekan. Produksi beralih ke metode dengan keuntungan lebih yaitu microwave. Penggunaannya bertumpu pada pengurangan konsumsi energi dengan pemanasan cepat sehingga kelembaban pada tanaman akan menguap dengan cepat dan kuat, menghasilkan tekanan yang signifikan, serta menghasilkan peningkatan difusi zat-zat non-selulosa dari serat mikro selulosa. Produksi yang dilakukan secara kering ini dapat menekan biaya dan memperpanjang umur nanofibril selulosa (Impoolpsup dkk., 2019).
Pada proses produksi, yang pertama dikakukan adalah tahap pretreatment untuk pemurnian selulosa. Mula-mula sekam padi dikeringkan menggunakan oven selama 2 jam pada suhu 60 oC. Sekam padi kering kemudian dihaluskan dengan cyclon mill sebanyak 2 putaran. Setelah halus, bubuk sekam padi kemudian ditambahkan akuades dengan perbandingan 1:40. Lalu, campuran bubuk sekam padi dimasukan ke dalam microwave pretreatment pressure cooker pada 850 W selama 10 menit. Setelah itu, sampel dipisahkan dengan metode sentrifugasi selama 12.000xg selama 10 menit. Sampel hasil sentrifugasi kemudian dititrasi sehingga menghasilkan endapan. Metode sentrifugasi dan titrasi diulangi hingga 3 kali. Setelah mendapatkan endapan yang ketiga, endapan tersebut kemudian diencerkan dengan perbandingan 1:200, lalu larutan dimasukan ke dalam high shear homogenization pada 950xg selama 1 menit, dan dilanjutkan dengan highpressure homogenization pada 40 mPa selama 5 kali lilitan. Sampel kemudian dikeringkan menggunakan oven selama 6 jam pada suhu 60oC. Sampel yang telah dikeringkan ini telah menjadi produk berupa nanofibril selulosa (Impoolpsup dkk., 2019). Nanofibril selulosa terbukti memiliki transparansi dan kestabilan termal yang tinggi serta cocok untuk peralatan OLED yang fleksibel. Ketebalan OLED berbahan nanofibril selulosa membentuk permukaan yang halus sehingga mengurangi difusi pantulan dan memberikan efisiensi emisi cahaya yang lebih besar (Tao dkk., 2020).
Kesimpulan
Pemaksimalan potensi limbah sekam padi yang melimpah perlu dilakukan untuk pengembangan OLED. OLED yang berbahan nanofibril selulosa sangat disarankan untuk budidaya tanaman dalam pertanian vertikal. OLED digunakan sebagai pengganti energi foton matahri untuk proses fotosintesis pada tanaman. Bahannya bersifat biodegradabel, biokompatibel, dan tidak beracun sehingga ramah terhadap lingkungan. Produk nanofibril selulosa terbukti efisien untuk penghantaran emisi cahaya menuju tanaman ditambah dengan transparansi dan kestabilan termalnya yang tinggi. Pemilihan proses produksi yang cocok dengan konsep zero waste dan konsumsi rendah energi sangat tepat untuk kemajuan  ekonomi dan kelestarian lingkungan. Dengan ini, permasalahan penyusutan lahan dapat teratasi dan Indonesia diharapkan dapat memiliki ketahanan pangan untuk masa mendatang.
 
Daftar Pustaka
Jurnal
Aoki, K. dan Saito, N. Review Biodegradable Polymers as Drug Delivery Systems for Bone Regeneration. Pharmacheutic, 12(95): 1-19.
Coniwanti, P., Srikandhy, R. dan Apriliyanni, A. 2008. Pengaruh Proses Pengeringan, Normalitas HCl dan Temperatur Pembakaran pada Pembuatan Silika dari Sekam Padi. Jurnal Teknik Kimia, 15(1): 5-11.
Dumanli, A. G. 2017. Nanocellulose and Its Composites for Biomedical Applications. Current Medicinal Chemistry, 24(5): 512-528.
Icli, S. 2017. Photosynthesis: Miracle of Organic Life and Its Technologies. Journal of Materials Science and Engineering, 7(11-12): 278-289.
Impoolsup, T., Chiewchan, N. dan Devahastin, S. 2020. On the Use of Microwave Pretreatment to Assist Zero-Waste Chemical-Free Production Process of Nanofibrillated Cellulose from Lime Residue. Carbohydrate Polymers, 230: 115630
Karnawat, M., Trivedi, S. K., Nagar, R. dan Nagar, D. 2020. Vertical Agriculture. Biotica Research Today, 2(6): 419-421.
Kozai, T., Fujiwara, K. dan Runkle, E. S. 2016. LED Lighting for Urban Agriculture. Singapore: Springer.
Kumar, P. S., Ramakrishnan, K., Kirupha, S. D. dan Sivanesan, S. 2010. Thermodynamic and Kinetic Studies of Cadmium Adsorption from Aqueous Solution into Rice Husk. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 27(02) : 347 – 355
Ooi, S. Y., Ahmad, I. dan Amin, M. C. I. M. 2015. Cellulose Nanocrystals Extracted from Risk Husks as a Reinforcing Material in Gelatin Hydrogels for Use in Controlled Drug Delivery Systems. Industrial Crops and Products, 93: 227-234.
Song, M. G., Kim, K. S., Yang, H. I., Kim, S. K., Kim, J. H., Han, C. W., Choi, H., Pode, R. dan Kwon, J. H. 2020. Highly Reliable and Transparent Al Doped Ag Cathode Fabricated Using Thermal Evaporation for Transparent OLED Applications. Organic Electronics, 76: 105418.
Tao, J., Wang, R., Yu, H., Chen, L., Fang, D., Tian, Y., Xie, J., Jia, D., Liu, H, Wang, J., Tang, F., Song, L. dan Li, H. 2020. Highly Transparent, Highly Thermally Stable Nanocellulose/Polymer Hybrid Substrates for Flexible OLED Devices. ACS Applied Materials and Interfaces, 12(8): 9701-9709.
Trivana, L., Sugiarti, S. dan Rohaeti, E. 2015. Sintesis dan Karakterisasi Natrium Silikat (Na2SiO3) dari Sekam Padi. Jurnal Sains dan Teknologi Lingkungan, 7(2): 66-75.
Zhou, L., Santomauro, F., Fan, J., Macquarrie, D., Clark, J., Chuck, C. J. dan Budarin, V. 2017. Fast Microwave-Assisted Acidolysis: a New Biorefinery Approach for the Zero-Waste Utilisation of Lignocellulosic Biomass to Produce High Quality Lignin and Fermentable Saccharides. Faraday Discussions, 202: 351-370.

Situs Berita
https://m.republika.co.id/berita/q72q8t415/moeldoko-keterbatasan-lahan-tantangan-terbesar-pertanian