HIDROLISIS ENZIMATIS LIGNOSELULOSA TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT MENJADI GULA PEREDUKSI

Transkripsi

1 HIDROLISIS ENZIMATIS LIGNOSELULOSA TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT MENJADI GULA PEREDUKSI Maria Bintang 1, Faizal Gayang 1, Nur Richana 2 1 Departemen Biokimia, FMIPA Institut Pertanian Bogor 2 Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen, Cimanggu Bogor ABSTRAK Proses pengolahan kelapa sawit menjadi crude palm oil (CPO) menghasilkan limbah padat berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dengan rata-rata 10 juta ton/tahun yang belum dimanfaatkan secara optimal dan dapat mencemari lingkungan. Komponen utama dari TKKS adalah selulosa dan lignin, sehingga limbah ini juga disebut limbah lignoselulosa. Kandungan selulosa dan hemiselulosa dalam TKKS berpotensi untuk digunakan sebagai sumber gula pereduksi melalui hidrolisis asam atau enzim. Hidrolisis TKKS dilakukan menggunakan HCl yang dilanjutkan dengan hidrolisis enzimatis menggunakan xilanase 0.5% dan selulase 0.5% Hasil penelitian menunjukkan kadar gula pereduksi yang dihasilkan dengan xilanase sebesar 50.5 mg/l dan hidrolisis dengan selulase sebesar mg/l. Kata kunci: hidrolisis, selulase, TKKS, xilanase ABSTRACT The processing of palm oil into crude palm oil (CPO) produced solid waste such as oil palm empty fruit bunches (OPEFB) with an average of 10 million tons / year which has not been used optimally and can pollute the environment. The main components of OPEFB is cellulose and lignin called lignocellulose waste. The content of cellulose and hemicellulose in OPEFB potential to be used as a source of reducing sugar by acid hydrolysis or enzyme. Hydrolysis of OPEFB performed using HCl followed by enzymatic hydrolysis using cellulase 0.5% and xylanase 0.5%. The results showed a reducing sugar level produced with xylanase was 50.5 mg / L and hydrolysis with cellulase was mg / L. Keywords : cellulase, hydrolysis, OPEFB, xylanase LATAR BELAKANG Salah satu sumber bahan baku utama penyediaan biofuel adalah dari biomassa yang bisa dikonversi menjadi bioetanol. Pemanfaatan biomassa yang potensial berasal dari lignoselulosa. Pemanfaatan lignoselulosa sebagai sumber bahan bakar alternatif diharapkan akan menjadi salah satu cara untuk mengatasi krisis energi. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan limbah utama dari industri pengolahan kelapa sawit menjadi minyak sawit. Komponen utama dari TKKS adalah selulosa dan lignin sehingga limbah ini tergolong limbah lignoselulosa. Kandungan selulosa dan hemiselulosa pada TKKS berpotensi untuk digunakan sebagai sumber gula pereduksi melalui hidrolisis asam atau enzim. Larutan gula yang dihasilkan dapat dikonversi menjadi berbagai produk seperti alkohol, aseton, butanol, dan produk lain yang me miliki nilai ekonomis lebih tinggi (Darnoko et al. 2001). Pemanfaatan limbah kelapa sawit dengan cara hidrolisis diharapkan dapat memberikan nilai tambah ekonomis yang cukup besar. Ada dua enzim berbeda yang digunakan untuk menghidrolisis lignoselulosa ya ng terdapat dalam TKKS. Rangkaian proses hidrolisis selulosa dengan selulase terdiri atas adsorpsi selulase pada permukaan selulosa, biodegradasi selulosa menjadi gula pereduksi, dan desorpsi selulase. Degradasi selulosa menjadi glukosa umumnya merupakan proses sinergis antara endogl anase, e sogl anase dan β-glukosidase yang ketiganya adalah bagian dari selulase (Wyman 1996). Enzim kedua yang digunakan pada penelitian ini adalah xilanase. Xilanase memiliki kemampuan menghidrolisis hemiselulosa,yang tersusun dari xilan menjadi monomer gula, yaitu xilosa. Kendala yang dihadapi dalam hidrolisis serbuk TKKS dengan cara enzimatis dan kimiawi adalah masih terdapatnya lignin dan rendahnya laju hidrolisis. Perlu dilakukan delignifikasi dan penambahan asam guna me ncapai kondisi optimum bagi enzim agar mampu menghidrolisis lignoselulosa menjadi gula pereduksi. METODOLOGI PENELITIAN Serbuk TKKS dilarutkan dalam NaOH 4% kemudian didiamkan selama 24 jam pada suhu ruang. Larutan kemudian disaring dan diambil cairannya untuk dinetralisasi dengan HCl 1%. Setelah itu, cairan disentrifugasi untuk memisahkan garam yang terbentuk akibat reaksi dengan cairan yang telah dinetralisasi. Endapan yang telah disaring dimasukkan kembali ke dalam cairan yang telah dinetralisasi. Larut an kemudian dibagi dua dan ditambahkan masingmasing enzim selulase dan xilanase dengan konsentrasi 0.5%, kemudian diinkubasi pada suhu 50 o C untuk enzim

2 xilanase dan 60 o C untuk enzim selulase, masing-masing selama 48 jam. Selanjutnya dilakukan pengukuran kadar gula pereduksi menggunakan metode DNS. HASIL DAN PEMBAHASAN Tandan kosong kelapa sawit mempunyai tiga komponen utama yaitu selulosa, hemiselulosa dan lignin. Limbah TKKS memiliki kandungan holoselulosa (selulosa dan hemiselulosa) yaitu sekitar 70% dan kandungan lignin sekitar 17% (Peni 1995). Hasil penelitian Darnoko (1992) menyatakan TKKS mengandung selulosa 45.95%, hemiselulosa 22.84%, dan lignin 16.49%. Hidrolisis enzimatis merupakan salah satu tahapan konversi selulosa maupun hemislulosa menjad i gula pereduksi dengan menggunakan enzim. Enzim yang digunakan dapat diisolasi dari bakteri atau khamir atau berupa enzim murni komersial yang diproduksi massal oleh pabrik. Penelitian ini menggunakan dua jenis enzim yang berbeda untuk dapat menghidrolisis holoselulosa yang terdapat dalam TKKS, yaitu selulase dan xilanase komersial. Penambahan NaOH bertujuan memutus ikatan antara lignin dengan hemiselulosa yang diikuti dengan rusaknya struktur lignin dan derajat kristalinitas selulosa menjadi berkurang sehingga área selulosa yang akan dihidrolisis oleh enzim semakin besar. Selanjutnya dilakukan netralisasi menggunakan asam klorida 1% guna mencapai kondisi optimum bagi selulase dan xilanase agar dapat bekerja optimal. Penambahan asam berguna untuk memutus ikatan antara selulosa dan hemiselulosa dan mengubahnya menjadi gula pereduksi. Asam kuat dapat menurunkan derajat kristalinitas selulosa, sehingga menyediakan akses enzim yang lebih besar untuk menghidrolisis selulosa (Taherzadeh & Karimi 2007). Gula pereduksi yang dihasilkan melalui hidrolisis enzim selulase, yaitu mg/l, sedangkan kadar gula pereduksi hasil hidrolisis enzim xilanase adalah 50.5 mg/l. Hasil hidrolisis kedua enzim ini bila dibandingkan satu sama lain, xilanase memiliki aktivitas lebih besar dalam mengubah substrat (TKKS) menjadi gula pereduksi selama 48 jam fermentasi. KESIMPULAN Hidrolisis TKKS menggunakan enzim xilanase menghasilkan gula pereduksi lebih banyak daripada perlakuan dengan enzim selulase selama 48 jam. DAFTAR PUSTAKA Darnoko D Potensi Limbah Lignoselulosa Kelapa Sawit melalui biokonversi. Berita Penelitian Perkebunan. Medan, 2: Darnoko D, Herawan T, Guritno P Teknologi Produksi Biodiesel dan ProspekPengembangannya di Indonesia.Warta PPKS 9(1): Peni SP Tandan sawit untuk kertas kraft.trubus. 311: Taherzadeh MJ, Karimi K Process forethanol from Lignocellulosic Materials: Acid based Hydrolysis Process. Bioresources 2(3): Wyman CE Simultaneous saccharification and fermentation of lignocellulose. Biochemistry and Biotechnology. 18:75 90.

3 SELEKTIVITAS PENGGUNAAN KATALIS HCl DAN H 2 SO 4 PADA PROSES HIDROLISIS SAMPAH ORGANIK Dedy Irawan *) dan Zainal Arifin Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Samarinda Jl. Ciptomangunkusumo Kampus Gn. Lipan Samarinda Telp ext. 147 *) Korespondensi : ddy_iwn@yahoo.com ABSTRAK Energi dan sampah merupakan dua hal yang dapat menjadi masalah. Masalah muncul pada saat kekurangan energi dan kelebihan produksi sampah yang tidak tertangani dengan baik. Bioetanol salah satu sumber energi terbarukan yang dapat di produksi dengan bahan baku sampah organik melalui proses hidrolisis menggunakan larutan asam encer dilanjutkan fermentasi. Pemilihan larutan asam yang tepat merupakan satu tahap penting dalam rangkaian produksi bioetanol. Hidrolisis menggunakan dua larutan asam encer HCl dan H 2 SO 4 dengan konsentrasi 0,5-1% pada suhu o C. Hasil hidrolisis berupa gula ditentukan kadarnya menggunakan metode Nelson-Somogyi. Pemakaian larutan H 2 SO 4 konsentrasi terbaik pada 0,75% selama 45 menit mendapatkan yield glukosa sebesar 12,9%. Sedangkan penggunaan larutan HCl konsentrasi terbaik pada 0,75% selama 30 menit mendapatkan yield glukosa 15,07%. Berdasarkan yield glukosa yang dihasilkan maka larutan HCl lebih baik digunakan dalam menghasilkan gula sebagai bahan baku produksi bioetanol. Kata Kunci : HCl, H 2 SO 4, hidrolisis, yield ABSTRACT Energy and wastes were two component have a problem. That problem arose from weakness of energy and add of waste produce without good handle of the peoples. Bioethanol was one of new energy could be produce with raw material organic waste. The research was to study hydrolysis of municipal so lid wastes by dilute acid solution, and fermentation process. The precission choose of Dilute acid solution is one step important on the bioethanol production cycle. Hydrolysis uses two dilute acid solution, HCl and H 2 SO 4. The variable studied were temperature between 110 o C 130 o C, catalyst concentration between %. The experiment result show that sugar concentration was taken and then be analyzed by nelson-somogy methods. Based on product from hydrolysis process, organic waste used H 2 SO 4 solution the best of concentration 0.75 %, 45 minutes, 120 o C and yield of glucose 12.9 %. The useful of HCl the best of concentration 0.75 %, 30 minutes, 120 o C, and yield of glucose %. In order to, the useful of chloride acid on the hydrolysis process better than useful of sulfuric acid. Key Word : HCl, H 2 SO 4, hydrolysis, yield PENDAHULUAN Problem sampah merupakan isu penting di lingkungan perkotaan sejalan dengan perke mbangan ju mlah penduduk dan pen ing katan a kt iv itas pembangunan sehingga perlu penanganan. Volume Sa mpah yang dihas ilkan di kota Samarinda menurut data Dinas Kebersihan dan Pertamanan Kota Samarinda per April 2010 adalah 320 ton/hari. Volume sampah cukup besar di kota Samarinda yang berpotensi menimbulkan masalah akan tetapi juga dapat menjadi potensi sumber bahan baku dalam bioetanol yang menjadi sumber energi terbarukan. Pengembangan teknologi proses dalam mengubah sampah menjadi etanol secara tidak langsung dapat menjawab dua isu penting yang menjadi masalah yaitu lingkungan dan energi. Sampah kota mengandung bahan yang beraneka ragam, tetapi kandungan terbesar adalah sampah organik yang mencapai 65%. Menurut Suyitno (2007), sampah organik dari daerah perkotaan merupakan biomassa yang berat keringnya diperkirakan mengandung 75% pati, hemis elu los a, dan selulosa terdiri atas sayur-sayuran, buah-buahan, dedaunan, kulit buah, bambu dan ranting kayu sehingga dapat dimanfaatkan menjadi bahan baku etanol karena holoselulosa dapat diubah menjadi gula dengan proses hidrolis is yang selanjutnya dengan proses fermentasi akan diperoleh etanol (bioetanol). Berdasarkan hasil klasifikasi sampah berdasarkan kandungan holoselulosa, sampah kota Samarinda berpotensi menghasilkan etanol sebesar 5.976,82 kl/tahun (Irawan dan Arifin, 2010). Proses hidrolisis dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu hidrolisis kimiawi dan hidrolisis enzimatik. Hidrolisis kimiawi adalah suatu metode hidrolisis yang menggunakan asam sebagai katalis, biasanya digunakan asam klo rida

4 (HCl) atau asam sulfat (H 2 SO 4 ). Sedangkan untuk hidrolisis enzimatik adalah suatu metode hidrolisis yang menggunakan enzim sebagai katalisnya, biasanya berupa enzim selulase atau enzim yang lainnya sesuai substrat yang menjadi prioritas (Risvank, 2008). Larutan asam yang digunakan mempengaruhi kadar glukosa yang dihasilkan, disamping waktu, suhu, dan konsentrasi larutan asam tersebut. METODOLOGI PENELITIAN Bahan baku berupa sampah kota Samarinda yang digunakan dalam proses hidrolisis berdasarkan hasil klasifikasi sampah yang telah dilakukan oleh Irawan dan Arifin (2010). Proses hidrolisis dilakukan pada reaktor batch dilengkapi dengan pemanas dan kontrol suhu. Reaksi berlangsung pada suhu o C menggunakan larutan H 2 SO 4 dan HCl pada konsentrasi 0,1-1% yang dilakukan dalam dua tahap reaksi masing-masing untuk hidrolisis hemiselulosa dan selulosa dengan perbandingan bahan baku dan larutan asam 1:6 untuk setiap tahapnya. Tahap satu dilakukan 5-40 menit dan tahap kedua menit. Selanjutnya hasil hidrolisis berupa gula dianalisis dengan metode Nelson-Somogyi kemudian dihitung yield glukosanya. PEMBAHASAN Penelitian diawali dengan mencari suhu terbaik untuk proses hidrolisis sampah kota Samarinda menjadi glukosa sebagai bahan baku produksi bioetanol. Pengaruh suhu terhadap yield glukosa untuk kedua larutan asam menunjukkan profil yang sama seperti yang disajikan pada Gambar 1. Gambar 1. Yield glukosa pada variasi suhu hidrolisis menggunakan konsentrasi larutan asam 0.75% Grafik yang ditunjukkan pada Gambar 1 terlihat bahwa pemakaian larutan asam yang berbeda, HCl dan H 2 SO 4, memberikan kecenderungan yield glukosa yang sama untuk setiap suhu yang divariasikan. Pemakaian larutan asam yang berbeda pada proses hidrolisis tidak berpengaruh langsung terhadap suhu. Suhu terbaik untuk proses ini adalah 120 o C. Pada suhu tersebut larutan asam bekerja maksimal dalam mengkatalisis pemecahan hemiselulosa dan selulosa menjadi monomernya melalui reaksi hidrolisis. Pada suhu yang lebih tinggi reaksi total tidak lagi mengarah pada pembentukan monomer gula sehingga terlihat pada Gambar 1 yield glukosa pada suhu di atas 120 o C cenderung turun. Glukosa yang terbentuk akan bereaksi lebih lanjut membentuk senyawa racun pada suhu tinggi yang menghambat pertumbuhan mikroorganisme pada proses fermentasi. Reaksi-reaksi hidrasi secara khusus terjadi selama perlakuan panas terhadap polisakarida. Disamping itu juga merupakan reaksi-reaksi samping yang tidak dapat dihindari pada keadaan hidrolisis yang bersifat asam, menyebabkan dekomposisi gula yang terh idrolisis (Popoff dkk, 1972). Peningkatan konsentrasi katalis akan meningkatkan laju hidrolisis karena konstanta kecepatan reaksi hidrolisis akan berbanding lurus dengan konsentrasi H + pada suasana asam (Savitri, 2009). Penambahan asam kuat konsentrasi rendah dapat meningkatkan kuantitas glukosa pada proses hidrolisis lignoselulosa karena ion H + pada asam kuat dapat memutuskan ikatan glikosid yang terdapat pada selulosa. (Samsuri, 2007). H 2 SO 4 merupakan asam yang dapat menyumbangkan H + dua kali lebih banyak dibandingkan dengan HCl. Pada Gambar 2 terlihat pada konsentrasi larutan 0,25% H 2 SO 4 memberikan yield glukosa lebih tinggi dibandingkan HCl. H 2 SO 4 menyumbangkan H + lebih banyak

5 untuk memutuskan ikatan glikosid pada polisakarida menjadikan yield glukosa yang didapat relatif lebih tinggi dibandingkan dengan HCl. Gambar 2. Yield glukosa untuk variasi konsentrasi asam H 2 SO 4 dan HCl pada suhu 120 o C. Fenomena tersebut di atas terjadi untuk pemakaian larutan H 2 SO 4 maksimal pada konsentrasi 0.25% dan selanjutnya turun, tidak demikian pada HCl seperti yang terlihat pada Gambar 2. Hal ini dapat dijelaskan karena kelebihan H + pada reaksi hidrolisis akan mengubah glukosa yang terbentuk menjadi senyawa-senyawa lain sehingga menurunkan yield glukosa. Sifat higroskopis akan semakin meningkat seiring naiknya konsentrasi larutan H 2 SO 4 yang digunakan. Sifat higroskopis akan merusak selulosa dan glukosa yang terbentuk sehingga dapat pula menurunkan yield glukosa. Gambar 3. Mekanis me hidrolisis selulosa Penggunaan HCl terus meningkat sampai konsentrasi 0.75% hal ini dikarenakan HCl lebih sedikit dalam menyumbangkan H + sehingga membutuhkan konsentrasi yang relatif lebih tinggi untuk mendapat yield glukosa maksimum. Dikarenakan sifat higroskopis yang tidak sekuat H 2 SO 4 maka penggunaan larutan HCl memberikan yield glukosa yang relatif lebih tinggi.

6 Gambar 4. Yield glukosa pada variasi waktu hidrolisis Waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan yield glukosa terbaik pada penggunaan larutan HCl relatif lebih singkat dibandingkan dengan penggunaan larutan H 2 SO 4 (Gambar 4). Pada suhu yang sama energi aktivasi yang dapat diturunkan HCl lebih rendah dibandingkan H 2 SO 4 sehingga reaksi dapat berlangsung lebih cepat. Jika yield glukosa menjadi acuan utama dalam proses hidrolisis sampah kota Samarinda menjadi glukosa sebagai bahan baku produksi bioetanol maka pemakaian larutan HCl relatif lebih baik dibandingkan pemakaian larutan H 2 SO 4. Hal ini dimungkinkan karena pemakaian larutan HCl pada proses hidrolisis sampah kota lebih besar mengarah pada glukosa dibandingkan dengan pemakaian larutan H 2 SO 4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil yang diperoleh proses hidrolisis sampah kota Samarinda menggunakan larutan H 2 SO 4 terbaik pada konsentrasi 0.75% selama 45 menit memberikan yield glukosa 12,9%. Sedangkan penggunaan larutan HCl terbaik pada konsentrasi 0.75% selama 30 menit memberikan yield glukosa 15.07%. Penggunaan larutan HCl dalam proses hidrolisis sampah organik relatif lebih baik dibandingkan penggunaan larutan H 2 SO 4. DAFTAR PUSTAKA Irawan, D., Arifin, Z., Pemanfaatan Sampah Organik Kota Samarinda Menjadi Bioetanol: Klasifikasi dan Potensi. Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses, Jurusan Teknik Kimia UNDIP, Popoff, Holtztechnologie 20, hal , Risvank, Proses Hidrolisis dan aplikasinya di Industri, Samsuri, M., Pemanfaatan sellulosa bagas Untuk Produksi Ethanol melalui Sakarifikasi dan Fermentasi Serentak dengan Enzim Xylanase. Jakarta: Makara Teknologi, Savitri. E., Pengaruh Konsentrasi HCl dan Temperatur Hidrolisis Pada Berat Molekul dan Derajat Deasetilasi Kitosan. Bandung, Suyitno, Waste to Energy, artikel ilmiah dalam web: blogspot.com/2007/07/energi-dari-sampah-1- pendahuluan.html, 2007.