PENGGUNAAN PRETREATMENT BASA PADA DEGRADASI ENZIMATIK AMPAS TEBU UNTUK PRODUKSI ETANOL

Transkripsi

1 PENGGUNAAN PRETREATMENT BASA PADA DEGRADASI ENZIMATIK AMPAS TEBU UNTUK PRODUKSI ETANOL Oleh : Hikmatush Shiyami M. ( ) Azizah Ayu Kartika ( ) Pembimbing : Ir. Mulyanto, M.T. Laboratorium Teknologi Biokimia Teknik Kimia FTI ITS

2 Latar Belakang Cadangan minyak bumi menipis, harga minyak meningkat secara signifikan Energi alternatif pengganti bahan bakar minyak Potensi ampas tebu sebagai bahan baku pembuatan etanol Hidrolisis ampas tebu menjadi glukosa dan xilosa yang selanjutnya difermentasi menjadi etanol

3 Tujuan Penelitian Untuk mengembangkan teknologi produksi etanol dari ampas tebu dengan memanfaatkan baik komponen selulosa maupun hemiselulosanya. Untuk mengetahui pengaruh penggunaan enzim selulase dan xilanase dalam proses hidrolisis selulosa dan hemiselulosa menjadi glukosa dan xilosa. Untuk mengetahui pengaruh penggunaan mikroba Pichia stipitis dan Saccharomyces sereviciae dalam proses fermentasi glukosa dan xilosa menjadi etanol

4 Manfaat Penelitian Mengoptimalkan pemanfaatan ampas tebu menjadi etanol. Mengetahui konversi terbaik pada proses fermentasi hidrolisat ampas tebu menjadi etanol. Mengatasi persoalan pengadaan energi berbasis fosil yang jumlahnya terbatas serta berpotensi mencemari lingkungan

5 TINJAUAN PUSTAKA

6 Ampas Tebu Ampas tebu merupakan limbah berserat yang diperoleh dari hasil samping proses penggilingan tanaman tebu (Saccharum oficinarum). Komposisi : Selulosa 50% Hemiselulosa 25% Lignin 25% (Hermiati dkk, 2010)

7 Selulosa Selulosa adalah homopolimer yang tersusun dari subunit D-glukosa yang ditautkan satu sama lain dengan ikatan β- (1,4)-glikosida. Selulosa tidak larut di dalam air dan ditemukan pada dinding sel tumbuhan terutama pada tangkai, batang, dahan, dan semua bagian berkayu dari jaringan tumbuhan.

8 Hemiselulosa Hemiselulosa merupakan gabungan dari polimerpolimer pada selulosa dengan rantai relatif lebih pendek dan bercabang, yang terdiri dari monomer xylosa, arabinosa, glukosa, manosa dan galaktosa, dengan struktur amorf. Hemiselulosa tidak larut dalam air tetapi larut dalam alkali encer

9 Xilan Xilan merupakan komponen utama dari hemiselulosa pada dinding sel tumbuhan yang terikat pada selulosa, pektin, lignin, dan polisakarida lainnya untuk membentuk dinding sel.

10 Lignin Lignin merupakan polimer aromatik yang berasosiasi dengan polisakarida pada dinding sel sekunder tanaman. Struktur kimia lignin cukup kompleks dan terdiri dari rantai panjang seperti selulosa. Lignin dapat dioksidasi oleh larutan alkali dan bahan oksidator lain.

11 Pretreatment Pretreatment suatu biomassa dibutuhkan dalam suatu proses operasi untuk mendapatkan glukosa dengan yield yang tinggi. Efek utama yang terjadi dalam pretreatment adalah pelarutan hemiselulosa dan perusakan struktur lignin, meningkatkan pencapaian selulosa untuk hidrolisis enzim

12 Perbandingan Antara Pretreatment Asam Dengan Basa Asam Menurunkan lignin secara signifikan. Basa Tidak menurunkan lignin secara signifikan Membutuhkan energi yang besar karena membutuhkan temperatur yang tinggi ( C). Penurunan kadar hemiselulosa lebih tinggi dibandingkan lignin. Menghasilkan produk samping berupa asam asetat dan furfural. Menyebaban korosif dan limbah yang beracun. Berjalan pada temperatur rendah ( C) Penurunan kadar lignin lebih tinggi dibandingkan hemiselulosa. Tidak menghasilkan produk samping. Lebih ramah lingkungan. (Lee S, 2007; Rocha, 2011; Rabelo, 2011; Mussatto, 2007)

13 Hidrolisis Enzimatik Hidrolisis adalah suatu proses kimia yang menggunakan H 2 O sebagai pemecah suatu makromolekul menjadi monomer atau komponen penyusun terkecilnya. (id.scribd.com/doc/ /proses-hidrolisis-dan-aplikasinya-di-industri) Hidrolisis enzimatik menggunakan enzim sebagai katalis. Enzim : -Selulase -Xilanase

14 Enzim Selulase Enzim selulase merupakan enzim yang menyerang ikatan glikosida dengan menghidrolisis selulosa menjadi glukosa. Enzim ini merupakan suatu campuran kompleks yang terdiri dari tiga enzim yaitu endo-β-1,4-glukanase, exoβ-1,4-glukanase, β-1,4-glukosidase.

15 Enzim Selulase Reaksi selulosa menjadi glukosa Selulase Selulosa Glukosa

16 Enzim Xilanase Enzim xilanase merupakan biokatalis reaksi hidrolisis xilan (hemiselulosa) menjadi xilosa. Xilanase dapat diklasifikasikan berdasarkan substrat yang dihidrolisis, yaitu β-xilosidase, eksoxilanase, dan endoxilanase. Enzim xilanase dapat dihasilkan oleh sejumlah mikroorganisme seperti:a. niger, Bacillus, Cryptococcus, Penicillium, Aureo-basidium, Fusarium, Rhizomucor, Humicola.

17 Enzim Xilanase Reaksi xilan menjadi xilosa

18 Fermentasi Etanol Xilosa menjadi etanol Pichia stipitis 3C 5 H 10 O 5 5C 2 H 5 OH + 5CO 2 Glukosa menjadi etanol Saccharomyces cerevisiae C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2

19 Saccharomyces cerevisiae Kingdom : Fungi Filum : Ascomycotina Kelas : Saccharomycetes Ordo : Saccharomycetales Familiy : Saccharomycetaceae Genus : Saccharomyces Ciri-ciri : 1. Mikroorganisme bersel satu 2. Tidak berklorofil 3. Tumbuh baik pada suhu 30 o C dan ph 4,8 4. Mempunyai sifat stabil dan cepat mengadakan adaptasi (

20 Pichia Stipitis Kingdom : Fungi Filum : Ascomycota Kelas : Saccharomycetes Ordo : Saccharomycetales Kerajaan : Fungi Family : Saccharomycetaceae 2. Filum : Ascomycotina 3. Kelas Genus : Saccharomycetes : Pichia 4. Ordo : Saccharomyc. Famili : Saccharomycetaceae 6. Genus : Saccharomyces ( Ciri-ciri : 1. Mikroorganisme bersel satu 2.Tidak berklorofil 3.Suhu optimum o C 4. ph optimum untukpertumbuhan dan fermentasi xilosa adalah 4-7 (pada 25 o C) (wikipedia.org/wiki/pichia stipitis dan onlinelibrary.wiley.com/doi/ / bit /abstract)

21 Penelitian Terdahulu Zhang, dkk (2011) Melakukan hidrolisis dengan substrat jerami padi, diperoleh hasil bahwa dengan variabel enzim campuran komposisi 10.1 mg/ml glukosa dan 0.22 mg/ml xilosa. Untuk enzim selulase 5.8 mg/ml glukosa dan 0.08 mg/ml xilosa, untuk xilanase tertinggi 0.03 mg/ml glukosa dan 0.04 mg/ml xilosa. Koullas D. P., dkk (1992) Melakukan penelitian tentang efek dari delignifikasi basa pada sakarifikasi jerami gandum. Pada konsentrasi NaOH 10% didapat kadar lignin terendah yaitu 4,3% sedangkan kadar selulosa dan hemiselulosa masing-masing 37,5% dan 15%. Kadar selulosa tertinggi didapat pada konsentrasi NaOH 4% dengan kadar selulosa, hemiselulosa dan lignin masing-masing sebesar 44,6%; 15,4% dan 14,5%. Yadav, dkk (2011) Memproduksi etanol dari jerami padi dengan Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis. Dihasilkan yield 0,3 gram etanol/gram glukosa dengan Saccharomyces cerevisiae. Untuk campuran Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis dihasilkan yield 0,4 gram etanol/gram glukosa.

22 Metode Penelitian Pretreatment Hidrolisis Fermentasi

23 Kondisi Operasi Penelitian ph Penyiapan enzim : 3 Hidrolisis : 3 Fermentasi : 5,5 Temperatur operasi Pretreatment : 80 o C Hidrolisis : 60 o C Fermentasi : 30 C Waktu Pretreatment Hidrolisis Fermentasi : 16 jam : 48 jam : 48 jam

24 Variabel Penelitian Hidrolisis Fermentasi Menggunakan enzim selulosa (93 U/5 gram ampas tebu) Menggunakan enzim xylanase. (93 U/5gram ampas tebu) Menggunakan campuran enzim selulase dan xylanase (93 U/5gram ampas tebu + 93 U/5 gram ampas tebu) Menggunakan Saccharomyces cerevisiae Menggunakan Pichia stipitis Menggunakan campuran Pichia stipitis dan Saccharomyces cerevisiae

25 Pretreatment Pretreatmen Mekanik Ampas tebu dikeringkan di bawah sinar matahari selama 12 jam. Ampas tebu digiling dengan mesin penggiling. Ampas tebu diayak dengan menggunakan screener dan mengambil ampas tebu yang berukuran mesh

26 Pretreatment Pretreatmen Kimiawi Sebanyak 50 gram ampas tebu berukuran antara mesh ditambahkan dengan 1000 ml NaOH 1% (w/v). Larutan dipanaskan pada suhu 80 o C selama 16 jam Larutan dipisahkan dengan penyaringan menggunakan kertas saring pada water jet pump. Padatan ampas tebu dibilas menggunakan air panas pada suhu o C hingga ampas tebu mencapai ph 7. Substrat ampas tebu diambil dan kemudian dioven pada suhu 100 o C selama 2 jam, lalu didinginkan pada suhu kamar. Padatan ampas tebu yang sudah halus di simpan dalam kemasan tertutup.

27 Hidrolisis Ampas Tebu Menimbang 5 gram ampas tebu ( mesh) yang sudah di pretreatment secara kimiawi (dan memasukkan ke dalam erlenmeyer 250 ml. Menambahkan enzim selulase dari A. niger yang sudah di ketahui aktifitasnya sebanyak 93 U ke dalam bagasse tebu. Menambahkan 150 ml buffer sitrat 0,1 M ph 3 ke dalam larutan enzim dan bagasse tebu. Menganalisa konsentrasi glukosa dalam hidrolisat dengan metode DNS dan setiap selang waktu tertentu.

28 Fermentasi Memasukkan 10 ml larutan starter ke dalam 90 ml sisa larutan yang akan difermentasi ke dalam erlenmeyer 250 ml dan menutup menggunakan sumbat kasa. Melakukan inkubasi selama 2 hari pada incubator shaker suhu 35 o C dan 100 rpm. Menganalisa kadar etanol menggunakan Gas Kromatografi serta kadar glukosa dan xilosa menggunakan HPLC.

29 Hasil Penelitian

30 Hasil Pretreatment Kadar Selulosa, Hemiselulosa, dan Lignin Pada Ampas Tebu Setelah Pretreatment Kadar (%) Selulosa Hemiselulosa Lignin Tanpa Pretreatment Pretreatment NaOH

31 250 Hasil Analisa Dengan X-Ray Difraction (XRD) Counts Untreated 2 NaOH 1% Pretreated

32 Indeks Kristalinitas Ampas Tebu dengan mengunakan analisa X-Ray Difraction (XRD) Variabel I 002 I am CrI Sebelum pretreatment % Setelah Pretreatment dengan NaOH 1% % (w/v)

33 Hasil Hidrolisis hidolisis dengan enzim selulase (setelah pretreatment) konsentrasi gula reduksi (g/l) hidrolisis dengan enzim xilanase (setelah pretreatment) hidrolisis dengan enzim selulase+xilanase (setelah pretreatment) hidrolisis dengan enzim selulase (tanpa pretreatment) hidrolisis dengan enzim xilanase (tanpa pretreatment) hidrolisis dengan enzim selulase+xilanase (tanpa pretreatment) Waktu hidrolisis (jam)

34 Hasil Analisa High Perfomance Liquid Chromatography (HPLC) Variabel Konsentrasi gula reduksi (g/l) Glukosa Xilosa Galaktosa Jumlah (g/l) Enzim Selulase+Xilanase Enzim Xilanase Enzim Selulase (HPLC, ITB)

35 Perbandingan Konsentrasi Gula Reduksi Hasil Hidrolisis Ampas Tebu Menggunakan Analisa HPLC dan DNS Variabel Konsentrasi gula reduksi Analisa HPLC (g/l) Uji DNS (g/l) Yield (g gula/ g ampas tebu) Enzim Selulase+Xilanase Enzim Xilanase Enzim Selulase Keterangan : Yield hasil hidrolisis dihitung melalui massa hasil gula reduksi proses hidrolisis melalui uji DNS dibandingkan dengan massa ampas tebu awal yang dibutuhkan (5 g).

36 Hasil Fermentasi Fermentasi Menggunakan Saccharomyces cerevisiae Konsentrasi gula reduksi (g/l) Konsentrasi etanol (g/l) Glukosa Xilosa Galaktosa Etanol Konsentrasi Etanol : g/l larutan Yield Etanol : g/g gula reduksi (HPLC) g/gula reduksi (DNS) Jam ke-

37 Hasil Fermentasi Fermentasi Menggunakan Pichia stipitis Konsentrasi gula reduksi (g/l) Konsentrasi etanol (g/l) Glukosa Xilosa Galaktosa Etanol Konsentrasi Etanol : g/l larutan Yield Etanol : g/g gula reduksi (HPLC) g/gula reduksi (DNS) Jam ke-

38 Hasil Fermentasi Fermentasi Menggunakan Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis 6 3 Konsentrasi gula reduksi (g/l) Konsentrasi etanol (g/l) Glukosa Xilosa Galaktosa Etanol Konsentrasi Etanol : g/l larutan Yield Etanol : 0.27 g/g gula reduksi (HPLC) g/gula reduksi (DNS) Jam ke-

39 Hasil Fermentasi Perbandingan Konsentrasi Etanol Hasil Fermentasi Antara Ketiga Variabel Konsentrasi gula reduksi (g/l) Saccharomyces Cerevisiae Pichia Stipitis Campuran

40 Kesimpulan 1. Yield gula reduksi terbaik dihasilkan dari proses hidrolisis dengan campuran enzim selulase dan enzim xilanase sebesar 0,4834 g/ g ampas tebu 2. Yield etanol terbaik dihasilkan dari proses fermentasi dengan campuran S.cerevisiae dan P.stipitis sebesar sebesar g etanol/ g gula reduksi. 3. Yield etanol yang di hasilkan relatif kecil dikarenakan kadar glukosa dan xilosa yang rendah.

41 TERIMA KASIH