Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada JurusanTeknik Kimia Fakultas Teknik. Oleh:

Transkripsi

1 PENGARUH WAKTU TOTAL DAN JANGKA WAKTU PEMBERIAN RAGI TERHADAP PEMBUATAN BIOETANOL DARI SINGKONG KARET DENGAN METODE HIDROLISIS ASAM DAN FERMENTASI TERMODIFIKASI Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada JurusanTeknik Kimia Fakultas Teknik Oleh: VERNANDA PUTRI AGNESIA D PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2017

2 i

3 ii

4

5 PENGARUH VARIASI WAKTU TOTAL DAN JANGKA WAKTU PEMBERIAN RAGI TERHADAP PRODUKSI BIOETANOL DARI PATI SINGKONG KARET DENGAN METODE FERMENTASI TERMODIFIKASI Abstrak Singkong karet (manihot glaziovii) merupakan jenis umbi-umbian yang mempunyai kandungan karbohidrat sebesar 98,5%. sehingga berpotensi sebagai bahan baku untuk pembuatan bioetanol. Bioetanol merupakan energi alternatif hasil dari hidrolisis pati menjadi glukosa yang kemudian difermentasi menggunakan ragi tape dan saccaromycer cerevisiae untuk menjadi bioetanol. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh waktu total fermentasi dan jangka waktu pemberian ragi terhadap kadar etanol yang dihasilkan,dengan tahapan meliputi hidrolisis asam pati singkong karet dan dilanjutkan fermentasi glukosa menjadi etanol secara co-cultur. Penggunaan teknik penggabungan ragi dalam proses fermentasi memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan single culture. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada variasi waktu total fermentasi 1,3,5,7 dan 14 hari didapatkan kondisi optimum yang dihasilkan pada konsentrasi substat 5,0% selama 3 hari sebesar 23,4747 % (v/v). Sedangkan untuk variabel jangka waktu pemberian ragi kondisi optimum yang dihasilkan pada P3 sebesar 32,0109 v/v(%). Pemurnian bioetenaol dilakukan dengan proses distilasi sedangkan pengukuran kadar etanol dengan alkoholmeter. Kata Kunci: Pati singkong karet, ragi tape, Saccharomyces cerevisiae, fermentasi termodifikasi, bioethanol Abstracts Cassava Rubber(Manihot glaziovii) is a type of tubers that has carbohydrate content of 98,5%, which is potential as raw material for bioethanol production. Bioethanol is an alternative energyyielded from hydrolysis of starch in to glucose which is then fermented using yeast tape and saccaromyces cerevisiae to yield bioethanol. The purpose of this study is to find the optimum total time and yeast time period on the ethanol with produced. The research was carried out in several stages, including the acid hydrolysis of cassava starch to glukosa and continued fermentation of glukosa to ethanol. Using co-culture technique in prosess of fermentation to produce bioethanol gives better results than the use of a single culture.the results showed that the fermentation total time variable 1, 3, 5, 7, and 14 days earned the highest ethanol content is 23,4747% at 3 days fermentation time. While, for the yeast period variable, the optimum conditions yielded 32,0109% on volume concentration of 5,0%. Bioethanol purification was by distillation process. while the ethanol concentration measurements with alcoholmeter. Keywords: Rubber cassava starch, yeast tape, saccharomyces cerevisiae, modified fermentation, bioethanol. 1

6 1. PENDAHULUAN Bioetanol merupakan bahan bakar alternatif ramah lingkungan yang dibuat secara biologis melalui proses fermentasi dari berbagai sumber biomassa berupa pati, glukosa maupun selulosa pada tanaman singkong, umbi-umbian, nira, sorgum, tebu, jagung, biji-bijian, dan limbah organik (Susana, 1989). Salah satu jenis sumber alam berpotensi untuk dikembangkan sebagai bioetanol adalah umbi-umbian (Kusmiyati, 2010).Singkong karet merupakan salah satu jenis umbi-umbian yang mengandung pati yang cukup tinggi, tetapi memiliki kandungan senyawa yang beracun yaitu asam sianida (HCN), Sehingga kurang dimanfaatkan oleh masyarakat (Mira dan Alice, 2013). Ubi karet adalah jenis tanaman yang mempunyai berat empat kali lipat dibandingkan singkong biasa.hal ini dikarenakan daun yang dimiliki berukuran lebar dan lebat, sehingga berpotensi untuk berfotosintesis lebih besar dibandingkan singkong biasa (Ariwan dkk, 2016). Singkong karet mempunyai kandungan pati dalam ubi mencapai 98,5%.Dilihat dari kandungan pati yang cukup tinggi maka singkong karet berpotensi sebagai bahan baku untuk pembuatan bioetanol. Berbagai teknologi telah dikembangkan dalam produksi bioetanol. Saat ini terdapat beberapa teknologi produksi bioetanol seperti proses hidrolisis dan fermentasi secara simultan dan proses hidrolisis ko-fermentasi (Taherzadeh dan Karimi, 2007). Salah satu metode yang dilakukan untuk pembuatan bioetanol yaitu proses simultaneous sacharification and fermentation (SSF). Metode ini sebenarnya hampir sama dengan proses yang terpisah antara hidrolisis dengan enzim dan proses fermentasi (Effendi, 2012). Metode SSF menjadi sangat penting untuk dikembangkan karena dapat mempersingkat proses pembuatan bioetanol (Marques, 2007). Keuntungan dari proses ini adalah polisakarida yang terkonversi menjadi monosakarida tidak kembali menjadi poliskarida karena monosakarida langsung difermentasi menjadi etanol. Selain itu ragi tape dapat menjadi alternatif starter. Ragi tape mengandung sekitar 8x10 7-3x10 8 sel/g kapang, 3x10 6-3x10 7 sel/g ragi dan 10 3 sel/g bakteri (Merican dan Queeland, 2004). Keuntungan penggunaan ragi tape selain mempunyai kemampuan sebagai amilolitik, ragi tape sangat mudah di dapat, harganya murah, 2

7 serta dapat diaplikasikan dimasyarakat (Rosita, 2008). Adanya potensi amilolitik dari ragi memungkinkan dilakukan proses hidrolisis pati tanpa menggunakan enzim. Berdasarkan penelitian Arnata (2013) waktu pencampuran merupakan salah satu faktor kritis yang mempengaruhi sinergisme konsorsium mikroba dalam teknik ko-kultur.faktor tersebut berpengaruh langsung terhadap laju hidrolisis dan pertumbuhan mikroorganisme. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh waktu total dan jangka waktu pemberian ragi terhadap pembuatan bioetanol dari singkong karet dengan hidrolisis asam dan fermentasi termodifikasi yang mampu meningkatkan konsentrasi etanol lebih tinggi dibandingkan dengan teknik bioproses secara mono kultur.diharapkan dengan adanya metode pembuatan etanol yang lebih singkat memungkinkan peningkatan usaha produksi bioetanol dalam skala kecil maupun industri besar. Dengan demikian banyak singkong yang akan terserap sehingga harganya akan lebih kompetitif dan petani singkong akan lebih sejahtera serta indonesia akan mempunyai solusi energi alternatif yang terbaharukan. 2. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini untuk mengetahui pengaruh waktu total dan jangka waktu pemberian ragi pada proses fermentasi dari pati singkong karet. Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknik Kimia Fakultas Teknik Univesitas Muhammadiyah Surakarta. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode hidrolisis asam dilanjutkan dengan fermentasi ko-kultur 2.1 Penetapan Variabel Variabel tetap adalah massa bahan baku tepung pati singkong karet sebesar 25g konsentrasi ragi tape, Saccharomyces c, temperatur hidrolisis, jenis ragi dan berat ragi Variabel bebas terdiri dari : 1) Jangka waktu pemberian ragi tape dan Saccharomyces cerevisiae 2) Waktu total fermentasi Jenis penelitian ini adalah penelitian dengan desain semu (Time series Quasi eksperiment). 3

8 2.2 Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah tepung pati singkong karet, ragi tape, asam klorida (HCL), natrium hidroksida (NaOH), SaccaromycesCerevisiae, indikator methylen blue, Fehling A Fehling B, aquadest. Alat utama yang digunakan antara lain labu ukur 50 ml, 5 ml dan 100 ml mikropipet, rangkaian alat distilasi, oven, timbangan, cawan porselin, ayakan (40 mesh) hot plate, stirrer, jerigen, termometer, erlenmeyer, ph meter, alumunium foil dan gelas beker 500 ml. 2.3 Hidrolisis Prosedur penelitian yang dilakukan yaiu proses hidrolisis pati singkong karet yaitu pati singkong karet sebanyak 25 g dicampur dengan 225 ml aquades. Kemudian diatur Ph antara 4-5 menggunakan konsentrasi HCl 2,5% dan 5,0% dari total substrat. Campuran tepung pati singkong karet dipanaskan dengan hot plate pada suhu o C sambil diaduk dengan stirrer pada kecepatan 60 rpm selama 120 menit dan selanjutnya diambil filtratnya didinginkan hingga suhu 35 o C. Sampel dengan kadar gula reduksi yang paling tinggi hasil dari hidrolisis asam dengan HCl digunakan sebagai bahan baku pada proses fermentasi dan distilasi. 2.4 Fermentasi Proses selanjutnya yaitu proses fermentasi dilakukan dengan cara menyiapkan gelas erlenmeyer 500 ml dengan volume substrat 250 ml yang mengandung kandungan glukosa optimum difermentasi dengan menggunakan bantuan ragi tape dan Saccaromyces cerevisiae sesuai dengan variasi yang telah ditentukan ( 2,0%, 5,0%, 8,0% ) yang dicampurkan secara serentak dalam 250 ml substrat. Fermentasi dilakukan pada suhu lingkungan yaitu pada suhu 28 o C dengan variasi Waktu total 1, 3, 5, 7, dan 9 hari hasil dari variasi waktu total optimum digunakan sebagai acuan pada variasi jangka waktu pemberian starter. Pada proses ini ragi tape dan S.cerevisiae ditambahkan dalam media masingmasing 5,0%. Pada setiap sampel dan dilakukan 6 taraf perlakuan yaitu : S1 ( 250 ml larutan substrat + 5,0% Saccaromyces c) ; S2 ( 250 ml sampel + 5,0% Ragi Tape) ; S3( 250 ml larutan Substrat + 5,0% Saccaromyces + 5,0% Ragi 4

9 Tape) ; S4 (250 ml larutan substrat + 5,0% Saccaromyces pada hari pertama, 5,0% ragi tape pada 2 hari berikutnya) ; S5 (250 ml larutan substrat + 5,0% ragi tape pada hari pertama, 5,0% Saccaromyces c pada 2 hari berikutnya) ; S6 ( 250 ml larutan substrat +5,0% saccaromyces pada hari pertama, 5,0% ragi tape pada 1 hari berikutnya). Dimana proses fermentasi berlangsung selama kurun waktu 3 hari. 2.5 Distilasi Larutan Hasil fermentasi dengan kadar etanol tertinggi kemudian dilanjutkan proses distilasi dengan cara memanaskan larutan tersebut dengan menjaga suhu pemanasan pada range 78 o C. Etanol cair yang telah dihasilkan dari proses distilasi kemudian diukur kadar etanol. 2.6 Pengukuran kadar bioetanol Pengukuran kadar etanol dilakukan dengan menggunakan alkohol meter. Prinsip kerja dari alkohol meter berdasarkan berat jenis campuran antara alkohol dan air. Langkah awal yang dilakukan adalah memasukkan alkohol meter dalam gelas ukur yang telah terisi cairan etanol. Didiamkan selama 5-10 menit, alkohol meter akan tenggelam dan batas cairannya akan menunjukkan berapa kandungan etanol dalam larutan. 5

10 Gambar 1. Skema pembuatan bioetanol dari pati singkong karet 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Bioetanol dihasilkan dari kadar glukosa hasil aktivasi fermentasi sel khamir. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Kusmiyati (2010) Proses fermentasi dilakukan secara anaerob, pada saat proses fermentasi ada udara yang masuk maka proses pembentukan etanol akan terhambat. Untuk itu pada tabung fermentator dibuat rapat dan diberikan selang kecil yang berfungsi mengeluarkan CO 2 yang terbentuk. Kriteria pemilihan khamir untuk produksi bioetanol adalah mempunyai laju pertumbuhan cepat, tahan terhadap konsentrasi asam (Nasrun,dkk 2015). Saccaromyces cerevisiae dan ragi tape 6

11 merupakan jenis khamir yang baik. Saccaromyces c dan ragi tape menghasilkan enzim zimase dan invertase. Enzim inilah yang berfungsi memecah sukrosa menjadi monosakarida yang kemudia mengubah glukosa menjadi bioetanaol. Hasil variasi waktu total fermentasi dan jangka waktu pemberian ragi dapat dilihat dalam tabel 1. Tabel 1. Hasil fermentasi dari komposisi 250 ml larutan substrat + 5,0% saccaromyces c + 5,0% ragi tape dengan variasi waktu total fermentasi No Volume Kadar Massa Kode fermentasi Etanol v/v etanol Sampel (ml) (%) (gram) , , , , , , , , , , , , Tabel 2. Hasil fermentasi dari komposisi 250mL larutan substrat + 2,5% saccaromyces c + 2,5% ragi tape dengan variasi waktu total fermentasi No Kode Sampel Volume fermentasi (ml) Kadar Etanol v/v(%) Massa etanol (gram) ,5 25 8, , ,5 28 9, , , , , , , , , ,7168 0, , , , Hasil penelitian menunjukkan bahwa waktu fermentasi berpengaruh secara nyata terhadap kadar etanol yang dihasilkan. Proses fermentasi pati 7

12 singkong karet dengan konsentrasi 5,0% menghasilkan etanol dengan kadar paling tinggi pada hari ke 3 yaitu sebesar 23,4747 v/v(%) dan cenderung konstan secara signifikan sampai hari ke 9 sebesar 24, v/v(%). Hal ini ditandai dengan pertumbuhan bakteri dari ragi, pertumbuhan bakteri dapat diamati dari meningkatnya kadar etanol yang menunjukkan produktifitas saccaromyces cerevisiae. Pertumbuhan dan aktivitas saccaromyces cerevisiae berada pada fase pembiakan bakteri berlangsung secara 3.1 Pengaruh Waktu Total Fermentasi Terhadap volume etanol ( ml ) pada berbagai variasi konsentrasi substrat Gula hasil hidrolisis pati singkong karet diubah oleh saccaromyces c dan ragi tape menjadi bioetanol Dalam penelitian ini variasi konsentrasi asam yang diberikan adalah 2,5% dan 5,0%, sedangkan waktu total fermentasi divariasikan 1, 3, 5, 7, dan 9 hari. Hasil penelitian didapatkan bioetanol yang baik pada hari ketiga karena mikroorganisme telah beradaptasi dengan lingkungan dan nutisi yang tersedia. Berdasarkan tabel 1 dapat dilihat pengaruh waktu total fermentasi terhadap volume etanol. cepat dan jumlahnya meningkat seiring dengan penambahan waktu fermentasi. Hal ini dikarenakan pertumbuhan dan aktivitas bakteri Sacharomyces cereviceae selalu berubah. Gambar 2. Hubungan Waktu total fermentasi terhadap kadar etanol 8

13 Dari Gambar 2 diketahui waktu fermentasi pada hari ke 5, 7, dan 9 hari cenderung konstan. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor yang mempengaruhi dalam proses fermentasi salah satunya disebabkan karena tidak homogennya reaksi sintesis etanol baik dari proses delignifikasi, hidrolisis maupun fermentasi selain itu etanol sudah mengalami oksidasi berubah menjadi asam asetat sehingga mulai terjadi penurunan ph yang mengakibatkan bakteri saccaromyces cerevisiae menjadi terhambat. Ph yang optimum untuk pertumbuhan khamir adalah 4-4,5 (Budiyanto, 2003). Menurut Astawan dan Mita (1991) lama fermentasi yang dibutuhkan adalah 2-3 hari atau jam. Hal ini disebabkan karena sudah terbentuknya produk yang bisa menjadi inhibitor. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Sari (2008) menyatakan bahwa lama fermentasi yang paling optimal untuk proses pembuatan bioetanol adalah 3 hari. Jika fermentasi dilakukan lebih dari 3 hari, kadar alkoholnya dapat berkurang. Berkurangnya kadar alkoholnya disebabkan telah dikonversi menjadi senyawa lain misalnya ester. 3.2 Pengaruh Jangka waktu pemberian ragi tape dan saccaromyces c terhadap kadar etanol Selama proses fermentasi terjadi proses biokonversi glukosa menjadi etanol. Tinggi rendahnya etanol yang dihasilkan dipengarui oleh beberapa faktor seperti Ph, tinggi rendahnya konsentrasi glukosa, konsentrasi kultur starter dan suhu fermentasi. Pada penelitian ini dicoba mengembangkan teknik SSF termodifikasi dalam proses fermentasi untuk menghasilkan etanol. Taraf pemberlakuan selama proses fermentasi disajikan dalam tabel 3. 9

14 Tabel 3. Hasil fermentasi dari komposisi 250mL larutan substrat + 5,0% saccaromyces c + 5,0% ragi tape dengan variasi jangka waktu pemberian starter selama 3 hari Kode Sampel Waktu (Hari) Volume (ml) Volume etanol Kadar Etanol v/v(%) Massa Etanol (gram) Perlakuan 1 1 S 31 27, ,0260 0,5661 Perlakuan 2 1 R 11 9,7811 3,9124 0,2009 Perlakuan 3 1 S + 2 R 90 80, ,0109 1,6434 Perlakuan 4 2 R + 1 S 26 23,1190 9,2476 0,4748 Perlakuan 5 1 R + 2 S 34 30, ,0930 0,6208 Perlakuan 6 1 SR 25 22,2298 8,8919 0,4565 Hubungan Antara variasi Jangka Waktu Pemberian starter Terhadap Kadar Etanol Kadar Etanol (%) Waktu Pemberlakuan P1=3 Hari Saccaromyces C P2=3 Hari Ragi Tape P3=1 hari Saccaromyces + 2 hr Ragi Tape P4= 2 Hari Ragi Tape + 1 Hr saccaromyces c P5= 1 hari Ragi Tape + 2 Hr Saccaromyces C Gambar 3. Hubungan antara variasi jangka waktu pemberian starterterhadap kadaretanol 10

15 Gambar 3 menunjukkan bahwa konsentrasi tertinggi pada pemberlakuan ke-3 (P3) dengan jangka waktu pemberian saccaromyces pada hari 1 dan diikuti penambahan ragi tape pada 2 hari berikutnya. perbedaan pada setiap perlakuan ini menghasilkan perbedaan yang signifikan terhadap kadar etanol. Perlakuan P1 dan P2 merupakan proses fermentasi menggunakan kultur tunggal, sedangkan pada perlakuan (P3, P4, P5) menggunakan co-culture yang menunjukkan hasil konsentrasi etanol yang lebih tinggi dibandingkan dengan menggunkan kultur tunggal. Pada pemberlakuan P3 mampu menghasilkan kadar etanol tertinggi sebesar 32,0109 v/v(%) dengan massa etanol sebesar 1,6434 g, sedangkan kadar etanol terendah di dapatkan pada pemberlakuan P2 sebesar 3,9124 v/v(%). Adanya perbedaan konsentrasi yang dihasilkan ini menunjukkan bahwa antara ragi tape dan Saccaromyces mampu bersinergi untuk menghasilkan etanol dengan konsentrasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan kultur tunggal. 4. PENUTUP Pati singkong karet memiliki kadar karbohidrat (pati) mencapai 98,5%. Kadar pati yang tinggi menunjukkan bahwa pati singkong karet dapat dijadikan bahan baku untuk pembuatan bioetanol. Kadar glukosa pada fermentasi mempengaruhi kadaretanol yang dihasilkan. Pada penelitian ini lama waktufermentasi juga mempengaruhi volume dan kadar etanol yang dihasilkan. Kondisi optimum yang dihasilkan pada konsentrasi substat 5,0% selama 3 hari sebesar 23,4747% (v/v) dengan variasi waktu total yang diberikan yaitu 1, 3, 5, 7, dan 9 hari. Untuk variasi pemberlakuan proses fermentasi terbaik didapatkan pada proses fermentasi dengan pemberian saccaromyces untuk 1 hari pertama dan dilanjutkan ragi tape pada 2 hari berikutnya. Pada perlakuan ini menghasilkan etanol dengan konsentrasi 32,0109% (v/v) dengan massa etanol sebesar 1,6434 g. DAFTAR PUSTAKA Arnata I W., Dwi S., Richana N Bioprocess Technology to produce bioethanol from cassava by co-culyure Trichoderma viride, Aspergillus niger and Saccaromyces cerevisiae. 11

16 Prosinding.internasional conferece on bioetechnology for sustainable future Arnata, 2013.Rekayasa Bioproses Produksi Bioetanol dari Ubi Kayu dengan Teknik Ko-Kultur Ragi Tape dan Saccaromyces Cerevisiae.Teknologi industri pertanian.universitas Unud. Budiyanto A,Martosuyono P,Richana N Optimasi proses produksi tepung cassava dari pati ubi kayu skala laboratorium.buletin balai besar pascapanen,1-16. Hapsari, Mira Amalia dan Alice Pramashinta Pembuatan Bioetanol dari Singkong Karet (Manihot glaziovii) untuk Bahan Bakar Kompor Rumah Tangga sebagai Upaya Mempercepat Konversi Minyak Tanah ke Bahan Bakar Nabati.Jurnal Teknologi Kimia dan Industri Vol. 2, No 2. Semarang: Universitas Diponegoro. Kusmiyati, 2010.Comparasion of iles-iles and cassava tubers as a Saccaromyces cerevisiae substrate fermentation for bioetanol production.bioscience 2 : Merican Z,Queeland Y tapi processing in malaysia:a Technology in Transition Industrialization of indigeneous fermented foods,pp marcel Dekker Inc,New York Marques, S, Alves L, Roseiro, J.C.,Girio, F.M Conversion of recycled paper sludge to ethanol by SHF and SSF using Pichia stipitis. Departamento de Biotecnologia, INETI, Estrada do Paço do Lumiar 22, Lisboa, Portugal. Nasrun, Jalaluddin, Mahfuddhah Pengaruh jumlah Ragi dan Waktu Fermentasi terhadap Kadar Bioetanol yang Dihasilkan dari fermentasi Kulit Pepaya.Jurnal Teknologi Kimia Unimal 4 : 2.Universitas Malikussaleh. Rosita, 2008.Produksi etanol dari onggok menggunakan ekstrak kasar enzim alfa amilase,glukoamilase dan saccaromyces cerevisiae. Tesis Program studi magister bioteknologi SITH Susana, Biokonversi Edisi I cetakan I. Rajawali Pustaka,Jakarta. Taherzadeh MJ, Karimi K Enzyme-Based Hydrolysis Process for Ethanol from Lignocellulosic Material Review:J BioResources 2 ( 4) : Wawan W Effendi, Bioetanol Kulit Buah Kakao; Menuju Indonesia Mandiri Bahan Bakar Nabati. Artikel Bioetanol Kulit Buah Kakao. Diakses Pada 26 September