PEMBUATAN BIOETANOL DARI RUMPUT LAUT (Gracilaria sp.) MELALUI HIDROLISIS MENGGUNAKAN SELULASE

Transkripsi

1 TESIS PEMBUATAN BIOETANOL DARI RUMPUT LAUT (Gracilaria sp.) MELALUI HIDROLISIS MENGGUNAKAN SELULASE YULIANA ANAAWANG PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI ILMU BIOLOGI PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016 i

2 PEMBUATAN BIOETANOL DARI RUMPUT LAUT Gracilari sp. MELALUI HIDROLISIS MENGGUNAKAN SELULASE Tesis Untuk Memperoleh Gelar Magister Pada Program Magister, Program Studi Ilmu Biologi, Program Pascasarjana Universitas Udayana YULIANA ANAAWANG NIM PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI ILMU BIOLOGI PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016 ii

3 iii

4 Tesis ini Telah Diuji pada Tanggal 14 Juli 2016 Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana, No: 3141/UN14.4/HK/2016, Tanggal 14 Juli 2016 Ketua : Dr. Ir. Yenni Ciawi Anggota : 1. Ni Luh Arpiwi, S.Si, M.Sc., Ph.D 2. Drs. Yan Ramona, M.App.Sc, Ph.D 3. Dr. Sang Ketut Sudirga, S.Si., M.Si 4. Dr. I Nengah Wirajana, S.Si., M.Si iv

5 SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT Saya yang bertanda tangan dibawah ini: Nama : Yuliana Anaawang, S.Si Nim : Program Studi : Magister Ilmu Biologi Judul Tesis : Pembuatan Bioetanol dari Rumput Laut Gracilaria sp. Melalui Hidrolisis Menggunakan Selulase Dengan ini menyatakan bahwa tesis ini bebas plagiat. Apabila di kemudian hari terbukti ada plagiat dalam tulisan ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan mendiknas RI No. 17 tahun 2010 dan peraturan perundang-undangan yang berlaku. Denpasar, 20 Juli 2016 Yang membuat pernyataan Yuliana Anaawang, S.Si v

6 UCAPAN TERIMAKASIH Perkenankanlah penulis mengucapkan puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa yang selalu memberikan rahmat-nya sehingga penyusunan tesis yang berjudul pembuatan bioetanol dari rumput laut Gracilaria sp. melalui hidrolisis dengan menggunakan enzim selulase dapat diselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini perkenankanlah penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada Dr. Ir. Yenni Ciawi selaku dosen pembimbing I dan Ni Luh Arpiwi, S.Si., M.Sc., Ph.D selaku dosen pembimbing II yang telah menyediakan waktu, tenaga, pikiran, memberi bimbingan serta petunjuk kepada penulis dalam melakukan kegiatan penyusunan tesis. Ucapan yang sama juga ditujukan kepada Rektor Universitas Udayana Prof. Dr. dr. I Ketut Suastika, Sp.PD. KEMD atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Magister di Universitas Udayana. Ucapan terimakasih ini juga ditujukan kepada Direktur Program Pasacasarjana Universitas Udayana yang dijabat oleh Prof. Dr. dr. A.A Raka Sudewi, Sp. S(K) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk menjadi mahasiswa Magister pada Program Pascasarjana Universitas Udayana. Tidak lupa penulis ucapkan terimaksih kepada Ir. Ida Ayu Astarini, M.Sc., Ph.D selaku Ketua Program Studi Biologi Universitas Udayana atas ijin yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti pendididkan Program Magister. Pada kesempatan ini juga penulis ucapkan terimakasih yang sangat besar kepada Dirjen Pendidikan Tinggi yang memberikan kesempatan kepada penulis untuk mendapatkan beasiswa BPPDN, sehingga penulis dapat melanjutkan pendidikan pada Program Magister di Universitas Udayana. Ucapan terimakasih penulis sampaikan pula kepada para penguji Drs. Yan Ramona, M,App. Sc., Ph.D., Dr. Sang Ketut Sudirga, S.Si., M.Si., dan Dr. I Nengah Wirajana, S.Si., M.Si, yang telah memberikan masukan, saran, sanggahan, dan koreksi sehingga tesis ini dapat terwujud seperti ini. Pada kesempatan ini, penulis juga menyampaikan rasa terimakasih yang tulus kepada Ir. Agus Slamet Duniaji selaku kepala Laboratorium Mikrobiologi Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Udayana atas fasilitas yang diberikan sehingga penelitian tesis ini dapat diselesaikan dengan baik. Ucapan terimakasih juga disampaikan kepada Ibu Mirah Widiastiti dan Bapak I.B Yoga selaku teknisi Laboratorium Mikrobiologi dan Laboratorium Analisis Pangan atas segala bantuan, arahan, dan dukungan yang diberikan selama penelitian dan penyusunan vi

7 tesis ini. Tidak lupa penulis ucapkan terimakasih kepada Bapak Muda yang telah memberikan bantuannya demi kelancaran penelitian ini. Seluruh Ibu dan Bapak dosen beserta staf pegawai pada Program Studi Ilmu Biologi Pascasarjana Universitas Udayana yang telah memberikan dukungan, semangat dan fasilitasnya. Kepada suami Roby Ariyanto Kana Talo serta anak-anak tercinta Daniel Gracia Kana Talo dan Marvel Gravriel Kana Talo yang telah memberikan motivasi, dukungan, semangat, dan doa dalam melaksanakan penelitian dan penyusunan tesis ini. Semoga Tuhan Yang Maha Esa melimpahkan rahmat-nya kepada semua pihak yang telah membantu dalam pelaksanaan dan penyelesaian tesis ini serta kepada penulis sekeluarga. Denpasar, Juni 2016 Penulis vii

8 ABSTRAK PEMBUATAN BIOETANOL DARI RUMPUT LAUT Gracilaria sp. MELALUI HIDROLISIS MENGGUNAKAN SELULASE Bioetanol merupakan bahan bakar alternatif yang diproduksi dari bahan yang mengandung gula, pati, dan selulosa melalui proses fermentasi anaerob oleh mikroorganisme. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh konsentrasi hidrolisat dan konsentrasi urea terhadap kadar etanol yang dihasilkan dari fermentasi terpisah dan membandingkan kadar etanol yang dihasilkan dari fermentasi terpisah dengan fermentasi simultan. Penelitian ini terdiri atas 2 tahap yaitu fermentasi terpisah dan fermentasi simultan. Rancangan penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah rancangan acak lengkap berpola faktorial yang terdiri dari 2 faktor dan 3 ulangan. Faktor pertama adalah konsentrasi hidrolisat yang terdiri atas 4 level yaitu 0% (v/v), 25% (v/v), 75% (v/v), dan 90% (v/v). Faktor ke dua adalah konsentrasi urea yang terdiri atas 4 level yaitu 0% (b/v), 1% (b/v), 1,5% (b/v), dan 2% (b/v). Sedangkan fermentasi simultan, faktor pertama terdiri atas 2 level (75% b/v dan 90% b/v). Faktor ke dua terdiri atas 2 level (1,5% b/v dan 2% b/v). Parameter uji yang diukur adalah ph medium, jumlah sel yeast, total gula reduksi, dan kadar etanol. Hasil penelitian untuk fermentasi terpisah menunjukkan bahwa kombinasi hidrolisat 90% dengan urea 1% (b/v) merupakan perlakuan yang menghasilkan rendemen etanol tertinggi sebesar 1,05% (v/v) atau setara dengan 8,28 g/l. Hasil ini lebih kecil jika dibandingkan dengan fermentasi simultan yang menghasilkan kadar etanol sebesar 1,66% v/v atau setara dengan atau 13,10 g/l. Hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa kadar etanol dari fermentasi terpisah lebih kecil dibandingkan dengan kadar etanol pada fermentasi simultan. Hasil penelitian ini diharapkan dapat dipakai sebagai dasar penelitian lebih lanjut untuk mendapatkan bioetanol yang lebih maksimal. Kata Kunci: Gracilaria sp, selulase, fermentasi, bioetanol viii

9 ABSTRACT MAKING OF BIOETHANOL SEAWEED Gracilaria sp. THROUGH HYDROLYSIS MAKE USE OF CELLULASE Bioethanol is and produced alternative fuel produced from materials containing starch, sugar, and cellulose through anaerobic fermentation process by microorganisms. The main objective of this research was determining the effect of hydrolyzate concentration and urea concentration to the ethanol level which produced from separated fermentations and simultaneous fermentation. This research consisted of two phases, which that was a separate fermentation and a simultaneous fermentation. The design used was completely randomized design factorial that consist of two factors and three replications. The first factor was the hydrolyzate concentration which consist of four levels, namely 0% (v/v), 25% (v/v), 75% (v/v) and 90% (v/v). The second factor was the concentration of urea which consist of four levels namely 0% (w/v), 1% (w/v), 1,5% w/v, and 2% (w/v). For the simultaneous fermentation, the first factor consists of 2 levels (75% w/v and 90% w/v). The second factor consists of two levels (1.5% w/v and 2% w/v). Test parameters measured were ph of the medium, the number of yeast cells, total of reducing sugar and ethanol content. The results showed that a combination of hydrolyzate 90% with urea 1% w/v produced the highest ethanol yield was a 1,05% v/v or 8,28 g/l fermented for 5 days with separated fermentation. The results that a simultaneous fermentation produced the ethanol yield was a 1,66% v/v or 13,10 g/l. Thus it is concluded that the ethanol yield of fermented separately was a smaller compared with simultaneous fermentation that produced the highest ethanol yield. The results of this research could be applied as a basis for further research to produced more leverage bioethanol. Keywords: Gracilaria sp, cellulase, fermentation, bioethanol ix

10 RINGKASAN Indonesia merupakan salah satu negara yang kebutuhan bahan bakarnya semakin meningkat. Hal ini disebabkan kerena pertambahan jumlah penduduk serta meningkatnya penggunaan transportasi dan aktivitas industri. Sumber bahan bakar minyak selama ini berasal dari energi fosil. Namun, ketersediaan bahan bakar tersebut berbanding terbalik den gan kebutuhan bahan bakar karena energi fosil sifatnya tidak terbarukkan oleh karena itu diperlukan bahan bakar terbarukan. Salah satu bahan bakar terbarukan sebagai bahan pengganti bahan bakar fosil adalah bioetanol. Bioetanol dapat diproduksi dari bahan yang mengandung gula, pati, dan lignoselulosa. Penelitian ini menggunakan bahan selulosa dari rumput laut Gracilaria sp. sebagai sumber penghasil bioetanol. Fermentasi etanol pada penelitian ini dilakuan 2 tahap yaitu fermentasi terpisah dan fermentasi simultan. Pada fermentasi terpisah untuk mendapatkan etanol dari Gracilaria sp. maka terlebih dahulu dilakukan hidrolisis secara enzimatik. Hasil hidrolisis akan digunakan sebagai bahan utama dalam fermentasi etanol oleh Saccharomyces cerevisiae. Sedangkan fermentasi simultan tepung rumput laut Gracilaria sp. langsung difermentasikan dengan menggunakan selulase dan Saccharomyces cerevisiae dalam satu fermentor dan waktu yang bersamaan. Tujuan dari penelitian ini adalah yang pertama untuk mengetahui pengaruh konsetrasi hidrolisat dan konsentrasi urea terhadap kadar etanol yang dihasilkan dalam fermentasi terpisah. Kedua untuk membandingkan kadar etanol yang dihasilkan dari fermentasi terpisah dengan fermentasi simultan. Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fakultas Teknologi Pertanian dan Laboratorium Kimia Analitik Universitas Udayana dari bulan Oktober 2015 sampai bulan April Fermentasi terpisah menggunakan hidrolisat rumput laut dengan 4 konsentrasi yaitu 0% (v/v), 25% (v/v), 75% (v/v),dan 90% (v/v) yang dikombinasikan dengan konsentrasi urea dengan 4 perlakuan konsentrasi yaitu 0% (b/v), 1% (b/v), 1,5% (b/v), dan 2% (b/v). Sedangkan fermentasi simultan menggunakan substrat dengan 2 perlakuan yaitu 75% (b/v) dan 90% (b/v) yang dikombinasikan dengan konsentrasi urea yaitu 1,5% (b/v) dan 2% (b/v). Masingmasing perlakuan diinokulasi dengan 10% v/v inokulum yeast. Seluruh kombinasi perlakuan difermentasikan selama 9 hari dan setiap 2 hari dilakuan pengukuran parameter uji seperti, ph, jumlah yeast total, kadar gula reduksi, dan kadar etanol. Nilai ph diukur dengan ph meter, jumlah yeast total dihitung dengan metode turbidimetri, kadar gula reduksi ditentukan dengan metode Nelson Simogy, dan kadar etanol dianalisis berdasarkan massa jenis dengan piknometer, dan hasil piknometer yang mempunyai kadar etanol tertinggi diuji lanjut dengan menggunakan Gas Cromatography (GC). Data hasil pengukuran parameter dianalisis dengan menggunakan Analysis of Variance (ANOVA). Menggunakan Minitab for Windos version 17. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini menunjukkan bahawa fermentasi selama 9 hari baik fermentasi terpisah maupun simultan diperoleh kadar etanol tertinggi pada hari ke-5. Oleh karena itu data perameter uji pada fermentasi hari ke-5 dianalisis, untuk mengetahui pengaruh kombinasi perlakuan. Hasil analisis x

11 parameter-parameter pada fermentasi terpisah pada hari ke-5 yaitu nilai ph yang berkisar dari 4,74 Sampai 8,25. Hasil tersebut menunjukan terjadinya penurunan ph jika dibandingkan dengan ph sebelum diinokulasi dengan starter. Penurunan ph dapat disebabkan karena dalam fermentasi yeast selain menghasilkan etanol sebagai metabolit primer juga menghasilkan asam organik seperti asam laktat. Hal ini ditandai dengan bertambahnya kerapatan yeast dalam medium fermentasi. Kerapatan yeast yang dihasilkan pada fermentasi hasi ke-5 berkisar antara 0,46 x 10 7 dan 2,63 x10 7 Nilai ini menunjukkan terjadinya peningkatan jumlah yeast dalam medium fermentasi jika dibandingkan dengan jumlah yeast di awal fermentasi sebesar 0,6 x Meningkatnya jumlah yeast dalam medium fermentasi diikuti dengan berkurangnya kadar gula dalam medium. Kadar gula reduksi yang diperoleh dalam medium fermentasi sebelum diinokulasi dengan yeast berkisar antara 10,10 g/l dan 28,15 g/l sedangkan kadar gula sisa setelah diinokulasi dengan yeast berkisar dari 0,02 g/l sampai 2,01 g/l. Hal ini menunjukan bahwa terjadinya penurunan kadar gula dalam medium yang mengindikasikan bahwa terjadi konsumsi gula oleh yeast dan menghasilkan etanol. Kadar etanol yang dihasilkan pada fermentasi, baik fermentasi terpisah maupun simultan berturut-turut adalah berkisar antara 0,01% (v/v) sampai 3,27% (v/v) dan 2,85% (v/v) sampai 3,71% (v/v). Setelah dianalisis lanjut dengan menggunakan kromatografi gas maka diperoleh kadar etanol berturut-turut 1,05% (v/v) dan 1,66% (v/v). Nilai kadar etanol hasil piknometer berbeda dengan kadar etanol hasil GC. Perbedaan ini disebabkan karena dalam analisis piknometer masih terdapat senyawa-senyawa lain. Sedangan analisis GC hanya menganalisis etanol murni. Total gula rata-rata yang terpakai berkisar antara 9,66 g/l dan 24,85 g/l yang secara teoritis menghasilkan etanol berkisar antara 4,93 g/l dan 12,70 g/l. Sedangkan pada penelitian ini menghasilkan kadar etanol sebesar 1,05% (v/v) atau setara dengan 8,28 g/l untuk fermentasi terpisah. Hal ini mengindikasikan bahwa hanya sekian persen gula dirombak menjadi etanol dan sisa tidak terdeteksi dalam penelitian ini. Walker (1999) menyatakan bahwa yeast mempunyai jalur metabolisme yang lain yang dapat mengubah gula menjadi senyawa organik yang lain selain etanol, sehingga untuk memastikan hal tersebut perlu dilakuan pengukuran kadar senyawa organik lain yang terbentuk dalam proses ini. Kombinasi konsentrasi hidrolisat dengan konsentrasi urea berpengaruh signifikan (p<0,05) terhadap kadar etanol yang dihasilkan pada fermentasi terpisah maupun simultan. xi

12 DAFTAR ISI Judul Halaman SAMPUL DALAM... i PRASYARAT GELAR... ii LEMBAR PERSETUJUAN... iii PENETAPAN PANITIA PENGUJI... iv UCAPAN TERIMA KASIH... vi ABSTRAK... viii ABSTRACT... ix RINGKASAN... x DAFTAR ISI... xii DAFTAR GAMBAR... xvi DAFTAR TABEL... xvii DAFTAR LAMPIRAN... xx BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 5 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Gambaran Umum Rumput Laut Karakteristik dan Klasifikasi Gracilari sp Manfaat dan Kandungan Rumput Laut Lignoselulosa Lignin Selulosa Hemiselulosa Selulase Saccharomyces cerevisiae Bioetanol Manfaat Bioetanol Teknologi Produksi Bioetanol Pretreatment Hidrolisis Fermentasi Destilasi Pengukuran Kadar Etanol xii

13 BAB III. KERANGKA BERPIKIR KONSEP PENELITIAN DAN HIPOTESIS 3.1 Kerangka Berpikir Konsep Penelitian Hipotesis Penelitian BAB IV. METODELOGI PENELITIAN Rancangan Penelitian Tempat dan Waktu Penelitian Ruang Lingkup Penelitian Penentuan Sumber Data Variabel Penelitian Definisi Variable Operasional Bahan-Bahan Penelitian Alat-Alat Penelitian Prosedur Penelitian Persiapan Bahan Baku Pretreatment Penyiapan Kurva Glukosa Standar Penyiapan Saccharomyces cerevisiae Pembuatan Kurva Standar Saccharomyces cerevisiae Persiapan Inokulum Hidrolisis Enzimatik Fermentasi Terpisah Fermentasi Simultan Pengukuran ph Medium Penentuan Jumlah Sel Saccharomyces cerevisiae Penentuan Kadar Gula Reduksi Penentuan Kadar Etanol Analisis Data BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Hidrolisis Rumput Laut dengan Selulase Hasil Penelitian Kadar Etanol Tertinggi Pengaruh Kombinasi Konsentrasi Hidrolisat Rumput Laut dengan Konsenrasi Urea Terhadap ph Medium Pengaruh Kombinasi Konsentrasi Hidrolisat Rumput Laut dengan Konsenrasi Urea Terhadap Jumlah Yeast dalam Medium Fermentasi Pengaruh Kombinasi Konsentrasi Hidrolisat Rumput Laut dengan Konsenrasi Urea Terhadap Kadar Gula Sisa xiii

14 5.6 Pengaruh Kombinasi Konsentrasi Hidrolisat Rumput Laut dengan Konsenrasi Urea Terhadap Kadar Etanol Hasil Penelitian Kadar Etanol Fermentasi Simultan Pengaruh Kombinasi Konsentrasi Substrat Rumput Laut dengan Konsenrasi Urea Terhadap Jumlah Yeast dalam Medium Pengaruh Kombinasi Konsentrasi Hidrolisat Rumput Laut dengan Konsenrasi Urea Terhadap ph Medium Pengaruh Kombinasi Konsentrasi Hidrolisat Rumput Laut dengan Konsenrasi Urea Terhadap Gula Sisa Pengaruh Kombinasi Konsentrasi Hidrolisat Rumput Laut dengan Konsenrasi Urea Terhadap Kadar Etanol BAB VI. SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiv

15 DAFTAR GAMABAR Gambar 2.1 Jalur Embden-Meyerhof-Parnas Gambar 3.2 Bagan Konsep Penelitian Gambar 4.1 Bagan Prosedur Penelitian Gambar 5.1 Kromatogram Etanol Standar dan Sampel xv

16 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Kadar Selulosa Pada Berbagai Jenis Rumput Laut Tabel 5.1 Kadar Glukosa Hasil Hidrolisis Tabel 5.2 ph Awal Medium Fermentasi Terpisah Tabel 5.3 ph Akhir Medium Fermentasi Terpisah Tabel 5.4 Jumlah Sel Yeast dalam Medium Fermentasi Terpisah 47 Tabel 5.5 Gula Awal dalam Medium Fermentasi Terpisah Tabel 5.6 Gula Sisa dalam Medium Fermentasi Terpisah Tabel 5.7 Kadar Etanol pada Frementasi Terpisah Tabel 5.8 Jumlah Yeast dalam Medium Fermentasi Simultan Table 5.9 ph Medium Fermentasi Simultan Tabel 5.10 Kadar Gula Sisa Fermentasi Simultan. 55 Tabel 5.11 Kadar Etanol pada Fermentasi Simultan xvi

17 DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG SINGKATAN: ANOVA C Cm dkk EMP F G g GC HMF I mg nm PDA rpm RAL SHF SSF sp UV YGP : Analysis of Variance : Column : centimeter : dan kawan-kawan : Embden Meyerhoff Parnass : flow : gas : gram : Gas Chromathography : Hidroxy Methyl Furfural : injeksi : miligram : nanometer : Potato Dextro Agar : rotation per minute : Rancangan Acak Lengkap : Separated Hidrolysis dan Fermentation : Saccharifikation Simultaneous Fermentation : species : ultraviolet : Yeast Glucose Peptone xvii

18 LAMBANG : CO2 H2O α β ph : Karbon dioksida : hidrogen Oksida : alfa : beta : derajat keasaman % : Percent C6H12O6 C2H5OH NAOH KH2PO4 (NH4)2SO4 HCl MgSO4 : Glukosa : Etanol : Sodium hidroksida : Mono Kalium Fosfat : Amonium Sulfat : Asam kslorida : Magnesium Sulfat xviii

19 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Pembuatan Media Lampiran 2. Pembuatan Larutan Lampiran 3. Pembuatan Standar Saccharomyces cerevisiae Lampiran 4. Preparasi Sampel Lampiran 5. Kurva Glukosa Standar dan Nilai Absorbansinya Lampiran 6. Kurva Standar Saccharomyces cerevisiae Lampiran 7. Kadar Etanol yang Dihasilkan pada Proses Fermentasi Lampiran 8. Cara Mengkonversi Etanol Lampiran 9. Table Nilai ph Medium Selama Fermentasi Terpisah dan Fermentasi Simultan Lampiran 10. Hubungan antara ph, Jumlah Yeast Total, Kadar Gula Sisa, dan Kadar Etanol dalam Cairan Fermentaasi Terpisah Lampiran 11. Hubungan antara ph, Jumlah Yeast Total, Kadar Gula Sisa, dan Kadar Etanol dalam Cairan Fermentaasi Simultan Lampiran 12. Hasil Uji Analisis Ragam xix

20 xx