APLIKASI SIMULATENOUS DETOXIFICATION-FERMENTATION UNTUK BERBAGAI BAHAN LIGNOSELULOSA

Transkripsi

1 APLIKASI SIMULATENOUS DETOXIFICATION-FERMENTATION UNTUK BERBAGAI BAHAN LIGNOSELULOSA Sri Rahayu Gusmarwani 1, Endang Widuri Asih 2, Ganjar Andaka 3 1,3 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, IST AKPRIND Yogyakarta 2 Jurusan Teknik Industri, IST AKPRIND Yogyakarta 1 gusmarwani@gmail.com, 2 endang.akprind@gmail.com, 3 ganjar_andaka@akprind.ac.id ABSTRACT Bioethanol is one of promising biofuel. It can be produced from lignocellulosic material such as agricultural waste that abundantly found in Indonesia. Lignocellulosic materials consist of lignin, hemicellulose, and cellulose. To produce ethanol from lignocellulosic materials, it is essential to hydrolyse it before fermentation. Hydrolysis product was called hydrolysates. The ethanol yield obtained during fermentation of lignocellulosic hydrolysates is decreased due to the presence of inhibiting compounds formed or released during hydrolysis process. It was necessary to boost ethanol yield in fermentation process by simultaneous detoxification-fermentation process. Simultaneous detoxification-fermentation process is one of fermentation methode that use detoxification step in simultant process. The major steps in simultaneous detoxification-fermentation process are bases detoxification, flockulation, sterilization and fermentation. Bases detoxification involves increasing the ph of the hydrolysates by addition of bases followed by flockulation using Al 2 (SO 4 ) 3 and adsorbtion by activated carbon, and the lastest step of detoxification was steam sterilization for 4 hours. Adjusment of ph for fermentation was done by adding H 2 SO 4 until ph 4,8 followed by fermentation using Saccharomyces cereviceae for 72 hours. This paper will discuss about applicating simultaneous detoxification-fermentation process for any lignocellulosic hydrolysates such as rhyzome waste hydrolysate, baggas hydrolysates, and corn crob hydrolysate. The result of application of simultaneous detoxification-fermentation process is increasing ethanol yield from 2,2% (rhyzome waste hydrolysate), 2,1% (baggas hydrolysate), and 2,2% (corn crob hydrolysate) become 7,38%, 7,39%, and 6,12%. It mean that simultaneous-detoxification fermentation process was better than conventional fermentation (fermentation without detoxification step). Simultaneous detoxification-fermentation process could be used as ethanol booster in fermentation process. Keywords : lignocellulose, hydrolysates, detoxification- fermentation PENDAHULUAN Kebijakan pemerintah mengenai kenaikan harga bahan bakar minyak (BBM) hampir dapat dipastikan menimbulkan gejolak di masyarakat. Kenaikan harga BBM biasanya akan diikuti dengan melambungnya harga-harga barang dan jasa lainnya. Sebagai salah satu penggerak ekonomi, baik sebagai penggerak industri maupun transportasi, BBM merupakan persoalan strategis setiap negara. Pemerintah telah menetapkan kebijakan energi nasional dengan mengeluarkan Peraturan Presiden Nomor 5 tahun 2006 untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar minyak yang sampai tahun 2025 total energi baru terbarukan di Indonesia adalah 17 % dari total energi nasional, terdiri dari 5% nabati/biofuel, 5% panas bumi, 2% batubara cair, dan 5% energi air, surya, angin, biomassa, dan nuklir. Salah satu energi biomassa yang perlu dikembangkan adalah bioetanol. Biomassa dapat digunakan untuk sumber energi langsung maupun dikonversi menjadi bahan bakar. Penggunaan biomassa sebagai sumber energi ini tidak akan menyebabkan terjadinya penumpukan gas CO 2 karena gas CO 2 yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran dipakai untuk pembentukan biomassa itu sendiri. Teknologi pemanfaatan energi biomassa yang telah dikembangkan terdiri dari pembakaran langsung dan konversi biomassa menjadi bahan bakar. Hasil konversi biomassa ini dapat berupa biogas, bioetanol, biodiesel, arang dan sebagainya. Bioetanol dan biodiesel dalam jangka panjang diharapkan dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar minyak (Megawati, 2007). Meskipun bioetanol dapat dibuat dari biomassa berbasis pati, tetapi pati umumnya dimanfaatkan sebagai makanan atau pakan, sehingga pemanfaatannya sebagai bahan baku bioetanol dapat mengganggu penyediaan makanan atau pakan (Sediawan, dkk., 2009). Taherzadeh dkk. (1997) C-205

2 mengidentifikasi dan mendapatkan komposisi kandungan selulosa dan hemiselulosa pada pohon-pohon Alder, Aspen, Birch, Pine, Spruce, dan Willow. Senyawa selulosa tersebut memiliki potensi untuk diproses menjadi etanol. Jeewon (1997) membuat etanol dari lignoselulosa yang terdapat pada kayu keras, kayu lunak, rumput-rumputan, dan limbah pertanian. Sedangkan Gusmarwani dkk., (2009) telah melakukan uji selulosa terhadap bonggol pisang dengan hasil kadar hemiselulosa dan selulosa dalam bonggol pisang masing-masing adalah 43,49% dan 15,4% yang mengindikasikan bahwa bonggol pisang berpotensi untuk diolah menjadi bioetanol. Tabel 1 memperlihatkan komposisi berbagai jenis bahan biomassa selulosa dalam persen berat kering yang dikemukakan oleh Demirbas (2005). Bioetanol dapat dibuat dari biomassa berbasis pati atau berbasis lignoselulosa. Lignoselulosa merupakan senyawa polisakarida yang terdiri atas selulosa, hemiselulosa dan lignin. Selulosa merupakan senyawa polimer dari glukosa yang memiliki gugus ikatan C yang berbeda dengan pati (gambar 1). Ikatan polimer selulosa terjadi pada gugus C-beta, sedangkan pati memiliki ikatan polimer pada gugus C-alfa (Wertheim dan Jeskey, 1956). Hemiselulosa merupakan ikatan polimer heterogen dari polisakarida, monomernya dapat berupa glukosa, manosa, galaktose, xilosa, dan arabinosa. Manosa dan glukosa merupakan komposisi dari hemiselulosa yang paling banyak ditemukan pada kayu lunak, sedangkan xilosa ditemukan sangat banyak pada kayu keras. Susunan ikatan pada hemiselulosa lebih mudah dipecah pada proses hidrolisis daripada susunan ikatan pada selulosa (Palmqvist dan Hahn-Hagerdal, 2000). Tabel 1. komposisi dari berbagai jenis bahan biomassa celulosa (%berat kering) Material Cellulose Hemicelluloses Lignin Ash Extractives Algae (green) Cotton, fiax, etc Grasses Hardwoods 45±2 30±5 20±4 0.6±0.2 5±3 Hardwood barks ±0.2 6±2 Softwoods 42±2 27±2 28±3 0.5±0.1 3±2 Softwood barks ±0.2 4±2 Comstalks Wheat straw ±2 Newspapers Chemical pulps (Sumber : Demirbas, 2005) Struktur Bangun Pati C-206

3 Struktur Bangun Selulosa Gambar 1. Rumus bangun pati dan selulosa Produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa bukan tanpa kendala. Kendala pertama yang dihadapi adalah bagaimana mengubah selulosa menjadi gula sederhana yang siap untuk difermentasi. Masalah ini dapat diatasi dengan melakukan hidrolisis bahan lignoselulosa pada suhu dan tekanan yang tinggi, dalam jangka waktu yang lama (Gusmarwani, 2011). Proses hidrolisis lignoselulosa dengan asam encer pernah dicobakan pada proses Scholler dalam reaktor tangki berpengaduk dengan kondisi operasi; konsentrasi asam sulfat 0,5 %, tekanan bar dan selama 45 menit. Hemiselulosa sebanyak 80 % w/w dapat terhidrolisis pada suhu di bawah C tetapi konversi maksimal dicapai pada suhu di atas C (Taherzadeh dan Niklasson, 2003). Kendala kedua adalah adanya lignin dalam bahan lignoselulosa menyebabkan reaksi hidrolisis yang dilakukan pada suhu dan tekanan tinggi akan mengubah lignin menjadi senyawa lain yang bersifat racun bagi mikroba yang digunakan dalam roses fermentasi (Gusmarwani, 2011). Proses hidrolisis pada suhu di atas C juga mengakibatkan terbentuknya senyawa racun bagi pertumbuhan mikroorganisme di dalam proses fermentasi. Senyawa-senyawa kimia yang bersifat racun tersebut ialah jenis senyawa asam karboksilat, senyawa furan dan senyawa fenol. Selain senyawa lignin, muncul pula senyawa-senyawa lain yang bersifat racun bagi mikroba yang digunakan dalam proses fermentasi, antara lain: furfural, asam karboksilat, fenol, dan sebagainya, sebagai hasil dari proses hidrolisis (Taherzadeh dan Niklasson, 2003). Dengan munculnya senyawa-senyawa yang bersifat racun bagi mikroba yang digunakan dalam fermentasi, menyebabkan kadar etanol yang dihasilkan dari proses fermentasi menjadi sangat kecil. Kecilnya kadar etanol yang dihasilkan menyebabkan diperlukannya proses pemisahan yang sangat berat sehingga proses pemisahan menjadi sangat mahal. Karena itu diperlukan langkah-langkah untuk mengurangi senyawa beracun ini dengan metode detoxification-fermentation yang merupakan perpaduan dari langkah detoksifikasi yang dilanjutkan dengan proses fermentasi. Gusmarwani dan Budi, (2011), melaporkan mengenai penggunaan basa untuk proses detoksifikasi yang dilakukan sebelum proses fermentasi hidrolisat bonggol pisang, memberikan hasil dari 0,2689% jika fermentasi dilakukan tanpa detoksifikasi, meningkat menjadi % jika detoksifikasi dilakukan dengan NaOH dan % jika detoksifikasi dilakukan dengan Ca(OH) 2. Tiga langkah utama dalam detoksifikasi yang dilakukan oleh Gusmarwani (2011), yaitu penyesuaian ph, pengendapan racun dan kontaminan, dan sterilisasi cairan hidrolisat dengan pemanasan uap selama 4 jam. Metode detoxification-fermentation yaitu metode detoksifikasi dan fermentasi yang dilakukan secara seri untuk meningkatkan kadar etanol di dalam larutan fermentasi (fermentation strain) sebelum dilakukan proses pemisahan (distilasi). Dalam makalah ini akan dibahas mengenai metode detoxification-fermentation yang diaplikasikan untuk berbagai macam bahan ligoselulosa, yaitu bonggol pisang, tongkol jagung, dan bagas untuk menguji apakah metode detoxification-fermentation yang telah dilakukan dapat digunakan secara umum untuk semua bahan lignoselulosa. C-207

4 METODE PENELITIAN Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Hidrolisat bonggol pisang, hidrolisat bagas, dan hidrolisat tongkol jagung. 2. Ca(OH) 2, tawas, arang aktif, H2SO4, Saccharomyces cereviceae (ragi roti). 3. Alat yang digunakan adalah seperangkat alat detoxifikasi, seperangkat alat sterilisasi uap (steamer), dan seperangkat alat fermentasi. 4. Analisis hasil percobaan dilakukan dengan refraktometer. Adapun tahapan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : Gambar 2. Alur Tahapan Penelitian PEMBAHASAN Hasil penelitian disajikan dalam bentuk Tabel 2 dan Gambar 3 berikut: Tabel 2. Hubungan antara metode fermentasi dengan kadar etanol dalam larutan fermentasi untuk berbagai bahan lignoselulosa No Nama Bahan Lignoselulosa 1 Bonggol Pisang Kadar etanol Hasil Fermentasi (%) Konvensional Fermentasi-detoksifikasi 2,2 7,38 2 Bagas 2,1 7,39 3 Tongkol 2,2 6,12 Jagung Dari Tabel 2, Gambar 3, dan Gambar 4 dapat dilihat hubungan antara metode fermentasi dengan kadar etanol yang diperoleh untuk berbagai bahan lignoselulosa. Peningkatan kadar etanol yang diperoleh dengan mengaplikasikan metode fermentasi-detoksifikasi disebabkan adanya langkah C-208

5 adsorpsi dan flokulasi pada metode detoksifikasi-fermentasi sehingga senyawa yang bersifat racun bagi Saccharomyces cereviceae dapat dipisahkan dari cairan yang akan difermentasi. Senyawa yang bersifat racun bagi Saccharomyces cereviceae dihasilkan dari proses hidrolisis yang dilakukan sebelumnya. Gambar 3. Hubungan antara kadar etanol dalam larutan fermentasi untuk berbagai bahan lignoselulosa pada proses fermentasi konvensional Gambar 4. Hubungan antara kadar etanol dalam larutan fermentasi untuk berbagai bahan lignoselulosa pada proses dengan metode fermentasi-detoksifikasi KESIMPULAN Dari penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan: 1. Terjadi peningkatan kadar etanol dalam proses fermentasi dengan mengaplikasikan metode fermentasi-detoksifikasi 2. Peningkatan kadar etanol masing-masing sebesar 7,38%, 7,39%, dan 6,12% dari sebelumnya yaitu sebesar 2,2%, 2,1%, dan 2,2% C-209

6 UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini kami mengucapkan terimakasih kepada : 1. Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (Ditlitabmas) Ditjen Pendidikan Tinggi Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan melalui program Hibah Penelitian Dosen Pemula pendanaan tahun anggaran 2014 yang telah membiayai penelitian ini 2. Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta yang telah memberikan bantuan pendanaan penelitian untuk tahun anggaran DAFTAR PUSTAKA Demirbas, A, 2005, Bioetanol from Cellulosic Material : A Renewable Motor Fuel from Biomass, Energy Source (27), pp Gusmarwani, S.R., Budi, M.S.P, Sediawan, W.B., Hidayat, M., 2009, Pengaruh Perbandingan Berat Solid dan Waktu Reaksi terhadap Glukosa terbentuk pada Hidrolisis Bonggol Pisang untuk Pembuatan Bioetanol, Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia, Bandung Gusmarwani, S.R. dan Budi, M.S.P., 2011, Effect of Bases Detoxification on Fermentation of Banana Rhizome Waste Hydrolyasates for Ethanol Production, Seminar Internasional 19 th IUPAC International Conference on Chemical Research Applied to World Needs (CHEMRAWN XIX 2011, Kuala Lumpur, Malaysia Gusmarwani, S.R., 2011, Pengaruh ph pada Detoksifikasi Hidrolisat Bonggol Pisang dengan NaOH terhadap Kadar Etanol terambil, Prosiding Seminar Nasional Hasil Penelitian Dosen Kopertis Wilayah V Yogyakarta, Bidang Ilmu Teknologi, Yogyakarta Jeewon, L., 1997, Biological Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol, Journal of Biotechnology, vol. 56, pp. 1-24, Elsevier Megawati, 2007, Etanol dari Lignoselulosa, Profesional volum 1 No.5 Palmqvist. E., and Hagerdal. B. H., 2000, Fermentation of Lignocellulosic Hydrolysates. II: Inhibition and Detoxification, Bioresource Technology, Elsevier, vol. 74, hal Sediawan, W.B., Hidayat, M., Syamsiah, S., Millati, R., 2009, Produksi Bahan Bakar Etanol dari Limbah Lignoselulosa, Research Week Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta Taherzadeh, M. J., Eklund, R., Gustafsson, L., Niklasson, C., and Liden., G., 1997, Characterization and Fermentation of Dilute-Acid Hydrolyzates from Wood, Ind. Eng. Chem.Res., vol. 36, , American Chemical Society. Taherzadeh, M. J., and Niklasson, C., 2003, Ethanol from Lignocellulosic Materials: Pretreatment, Acid and Enzymatic Hydrolyses and Fermentation, 3 ed., pp. 6-9, Prentice-Hall International, Inc., New Jersey. Wertheim, E., and Jeskey, H., 1956, Introductory Organic Chemistry with Certain Chapters of Biochemistry, McGraw-Hill Book Company, New York C-210