III METODOLOGI PENELITIAN

Transkripsi

1 19 III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Bahan dan Alat Bahan Bahan baku utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah ubi kayu. Bahan kimia yang digunakan di dalam penelitian ini antara lain arang aktif teknis, H 2 SO 4 pekat, Ca(OH) 2, NH 4 OH, etanol dan bahan kimia untuk analisa. Mikroorganisme yang digunakan untuk fermentasi adalah S. cerevisiae dalam betuk dry baker yeast komersial dengan merk dagang Fermipan. Bahan yang digunakan sebagai bahan tambahan untuk pertumbuhan mikroorganisme adalah pupuk NPK dan urea Alat Peralatan utama yang digunakan di dalam penelitian ini antara lain peralatan gelas, refraktometer merk Atago tipe Master-53M, HPLC merk Hewlett-packard, spektrofotometer merk Hach, otoklaf, ph meter merk Beckman, vortex mixer, desity meter DMA 4500 merk Anton Paar dan seperangkat alat produksi bioetanol skala laboratorium. 3.2 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di SBRC (Surfactant and Bioenergy Research Center) dan laboratorium laboratorium di Departemen Teknologi Industri Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini dilaksakan pada bulan April Oktober Tahapan Penelitian Karakterisasi Ubi Kayu Persiapan bahan baku utama penelitian diawali pemisahan lapisan kulit ari yang berwarna coklat dengan cara dikupas. Ubi kayu yang telah dibersihkan dari kulit ari kemudian diparut menggunakan mesin parut hingga menjadi bubur ubi kayu. Bubur ubi kayu kemudian dikarakterisasi sifat kimia antara lain analisis kadar air, kadar abu, kadar lemak, kadar protein, kadar karbohidrat, kadar pati,

2 20 kadar serat kasar, kadar selulosa, kadar hemiselulosa dan kadar lignin. Prosedur analisa karakterisasi bahan baku dapat dilihat pada Lampiran Penentuan Konsentrasi Bahan Baku Ubi Kayu dan Asam Sulfat (H 2 SO 4 ) pada Proses Hidrolisis Asam Hidrolisis asam dalam penelitian ini dilakukan dalam satu tahap menggunakan otoklaf dimana suhu dan waktu hidrolisis dilakukan secara manual. Waktu hidrolisis dihitung ketika kondisi suhu telah tercapai. Pada tahap ini dilakukan penentuan konsentrasi bahan baku ubi kayu dan H 2 SO 4. Bubur ubi kayu dihidrolisis secara asam dengan beberapa perlakuan yaitu konsentrasi 15, 18, 20, 25 dan 30% (g/vol) dengan konsentrasi H 2 SO 4 0,4 M dan konsentasi 17, 18, 20, 25 dan 30% (g/vol) dengan konsentrasi H 2 SO 4 1 M selama menit dengan suhu 121 o C dan tekanan 1-1,5 bar pada otoklaf. Diagram alir proses hidrolisis asam di sajikan pada Gambar 5. Ubi Kayu Pemarutan Konsentrasi Bubur Ubi kayu 15,17,18,20,25 dan 30% (g/vol) H 2 SO 4 Konsentrasi 0,4 dan 1 M Hidrolisis asam Hidrolisat asam Gambar 5. Proses hidrolisis asam Hidrolisat asam yang dihasilkan diamati secara visual dan diukur total padatan terlarut dengan refraktometer, sehingga konsentrasi padatan dan H 2 SO 4 terbaik dapat ditentukan. Hidrolisat asam dari proses hidrolisis dengan konsentrasi padatan ubi kayu dan H 2 SO 4 terbaik dilakukan pengukuran total gula, gula pereduksi, HMF, furfural dan total asam. Perlakuan terbaik yang didapat pada

3 21 tahapan ini digunakan sebagai bahan baku pada penelitian tahap berikutnya dengan proses detoksifikasi Penentuan Konsentrasi Arang Aktif dan Lama Waktu Kontak pada Proses Arang Aktif Pada penelitian ini, sistem detoksifikasi dilakukan dalam 2 tahapan yaitu metode overliming dan arang aktif (modifikasi metode Converti et al. 1999). Pada tahap overliming, hidrolisat asam yang dihasilkan dari proses hidrolisis dengan konsentrasi ubi kayu dan asam sulfat (H 2 SO 4 ) terbaik ditambahkan larutan kapur tohor (Ca(OH) 2 ) untuk menaikkan ph menjadi ph 10. Konsentrasi larutan Ca(OH) 2 yang digunakan sebesar 16,77% (Jenkins 1966). Larutan ini didapat dari hasil penambahan kapur tohor (CaO) dengan air (H 2 O), dengan perbadingan 1 : 5. Setelah ditambahkan Ca(OH) 2, kemudian hidrolisat diaduk selama 30 menit dan dilakukan penyaringan untuk menghilangkan kandungan kapur dan senyawa lain yang mengendap. Selanjutnya asam sulfat (H 2 SO 4 ) ditambahkan pada hidrolisat untuk menurunkan ph hidrolisat hingga mencapai ph 5,5 6. Asam sulfat (H 2 SO 4 ) yang digunakan untuk menurunkan ph hidrolisat memiliki konsentrasi 0,4 M. Karena pada metode overliming kandungan HMF dan furfural di dalam hidrolisat masih cukup tinggi. Maka diperlukan metode lanjutan untuk mengurangi kandungan HMF dan furfural yaitu adsorpsi arang aktif. Setelah metode overliming dilanjutkan tahap ke-2 yaitu penambahan arang aktif dengan konsentrasi 1, 2,5, 5 dan 10% pada hidrolisat dan lama waktu kontak arang aktif dengan hidrolisat selama 30, 45 dan 60 menit pada suhu 40 o C dan dengan pengaduk 150 rpm sehingga diharapkan dapat menyerap dengan baik kandungan toksik yang dihasilkan pada proses hidrolisis asam dan etanol yang dihasilkan pada proses fermentasi menjadi lebih baik dibandingkan dengan tanpa menggunakan arang aktif. Arang aktif yang digunakan memiliki ukuran pori pada permukaan luar 0,54 1,08 µm. Parameter yang diamati selama proses detoksifikasi meliputi konsentrasi HMF, furfural, total gula, gula pereduksi dan total asam. Prosedur analisa dapat dilihat pada Lampiran 1. Diagram alir proses detoksifikasi hidrolisat asam disajikan pada Gambar 6.

4 22 Hidrolisat Asam Hasil dari tahap 1 Larutan Ca(OH) 2 Hidrolisat ph10 Penyaringan Overliming Larutan H 2 SO 4 Hidrolisat Hidrolisat ph 5,5 Arang Aktif Hidrolisat Gambar 6. Proses detoksifikasi hidrolisat asam (modifikasi metode Converti et al. 1999) Rancangan percobaan yang digunakan adalah Rancangan Acak Lengkap (RAL) faktorial yang terdiri dari dua faktor yaitu konsentrasi arang aktif (A) dan waktu kontak (M) dengan dua ulangan. Faktor 1. A Faktor 2. M = Konsentrasi arang aktif A1 = 1 % A2 = 2,5 % A3 = 5 % A4 = 10 % = Waktu Kontak M1 = 30 menit M2 = 45 menit M3 = 60 menit Data hasil penelitian akan dianalisis sidik ragam dengan model matematis sebagai berikut : Y ijk = µ + A i + M j + (AM) ij + ε ijk

5 23 Keterangan: Y ijk : Nilai pengamatan pada faktor konsentrasi arang aktif taraf ke-i, faktor waktu kontak taraf ke-j dan ulangan ke-k µ : Nilai rata-rata umum A i M j (AM) ij ε ijk : Pengaruh konsentrasi arang aktif taraf ke-i : Pengaruh lama waktu kontak taraf ke-j : Pengaruh interaksi konsentrasi arang aktif taraf ke-i dan waktu kontak taraf ke-j : Galat percobaan pada faktor konsentrasi arang aktif taraf ke-i, pada faktor waktu kontak taraf ke-j dan ulangan ke-k i : Konsentrasi arang aktif ( i = 1, 2,5, 5 dan 10%) j : Lama waktu kontak ( j = 30, 45 dan 60 menit) Parameter yang diamati meliputi kadar total gula, gula pereduksi HMF, furfural, dan total asam. Uji lanjut dengan Newman-keuls dilakukan untuk menentukan pengaruh perlakuan terhadap parameter Penentuan Laju Adsorpsi Arang Aktif Setelah didapat konsentrasi arang aktif yang terbaik dari hasil proses detoksifikasi dengan berbagai konsentrasi dilakukan pengukuran laju adsorpsi arang aktif terhadap kandungan total gula, gula pereduksi, HMF dan furfural di dalam hidrolisat. Proses ini dilakukan untuk mengetahui pada menit ke berapa, arang aktif yang ada di dalam hidrolisat telah mencapai waktu terbaik dalam proses penjerapan senyawa inhibitor (HMF dan furfural). Pada tahapan ini, konsentrasi bahan baku ubi kayu dan H 2 SO 4 terbaik dilakukan proses hidrolisis, kemudian didetoksifikasi dengan overliming terlebih dahulu sebelum ditambahkan konsentrasi arang aktif terbaik. Pada detoksifikasi arang aktif dilakukan proses pengadukan 150 rpm dengan suhu 40 o C. Tahap penarikan sampel dilakukan secara terus menerus pada hidrolisat yang diberi arang aktif. Pengambilan sampel dilakukan sebanyak 14 kali yaitu pada waktu menit ke 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 dan 60. Parameter yang diamati meliputi kadar HMF, furfural, total gula, dan gula pereduksi. Penentuan konstanta laju adsorpsi dilakukan dengan menentukan konstanta kesetimbangan adsorpsi. Penentuan kondisi kesetimbangan adsorpsi dilakukan

6 24 dengan memplotkan HMF dan furfural di dalam hidrolisat (c) dengan lama adsorpsi (t) (Kirk dan Othmer 1964). Hubungan antara konsentrasi penjerapan HMF dan furfural dalam adsorben (q) dengan konsentrasi penyerapan HMF dan furfural di dalam hidrolisat (c) dengan menggunakan model isoterm adsorpsi. Perhitungan nilai q dapat dilihat pada persamaan : (Kirk dan Othmer 1964) q = co ct x V m.(1) Keterangan : q co ct V m = konsentrasi penjerapan HMF dan furfural di dalam adsorben (g/g) = konsentrasi awal HMF dan furfural di dalam hidrolisat (g/l) = konsentrasi HMF dan furfural di dalam hidrolisat dalam lama waktu adsorpsi tertentu (g/l) = volume hidrolisat (l) = massa adsorben (g) Nilai konstanta laju adsorpsi (k) dapat ditentukan dengan cara memplotkan nilai konsentrasi penjerapan HMF dan furfural di dalam adsorben (q) dengan nilai konsentrasi HMF dan furfural di dalam hidrolisat (c) pada persamaan Langmuir dan Freundlich. Plot dari 1/q dan 1/c menghasilkan bentuk linear dari model Langmuir. Persamaan linear tersebut dapat dilihat pada persamaan 1 : 1 q = k qmaks c qmaks.. (2) Kemiringan dari hasil regresi linear persamaan 2 menghasilkan nilai k/q maks dimana k merupakan konstanta laju adsorpsi dan intersepnya menunjukan nilai 1/q maks. Sedangkan Plot dari log q dan log c menghasilkan bentuk linear dari model Freundlich. Persamaan linear tersebut dapat dilihat pada persamaan 3 : log q = log k + n log c.. (3) Kemiringan atau slope dari hasil regresi linear persamaan 3 menghasilkan nilai n dan intersepnya menunjukan nilai konstanta laju adsorpsi (k) (Kirk dan Othmer 1964).

7 Penentuan Kondisi Hidrolisat terhadap Konsentrasi Etanol Hidrolisat yang dihasilkan dari proses hidrolisis dengan konsentrasi ubi kayu dan asam sulfat (H 2 SO 4 ) terbaik dilakukan proses penyimpanan. Penyimpanan dilakukan di dalam inkubator pada suhu 30 o C. Pengamatan dilakukan setiap minggu dan parameter yang dianalisa meliputi pengukuran total gula dan gula pereduksi. Setelah proses penyimpanan, dilakukan proses lanjut dengan detoksifikasi. Hidrolisat asam yang dihasilkan didetoksifikasi dengan overliming dan arang aktif dengan konsentrasi arang aktif dan lama waktu kontak terbaik. Sebagai pembanding hidrolisat asam dilakukan proses netralisasi. Proses netralisasi menggunakan NH 4 OH teknis dengan konsentrasi 21% hingga ph mencapai 5,5. Diagram alir proses pembuatan bioetanol dari bahan baku ubi kayu disajikan pada Gambar 7. Hidrolisat Asam Hirolisis asam Penyimpanan minggu ke-0 Penyimpanan minggu ke-1 Penyimpanan minggu ke-2 Metode Overliming dan Metode Arang Aktif Pembanding Metode NH 4OH Hidrolisat NPK dan Urea Penambahan nutrisi dan Pengaturan ph Fermentasi Fermentasi Saccharomyces cerevisiae Destilasi Destilasi Etanol Gambar 7. Proses pembuatan bioetanol dari bahan baku ubi kayu

8 26 Hidrolisat yang dihasilkan setelah proses detoksifikasi kemudian dipanaskan pada suhu 105 o C selama 5 menit sebelum fermentasi. Tujuan dari pemanasan adalah membunuh mikroba-mikroba selain ragi yang mengganggu proses fermentasi. Penurunan suhu sampai dengan 30 o C dilakukan sebelum fermentasi Mikroorganisme Saccharomyces cerevisiae dalam bentuk ragi roti sebesar 0,23% dari total gula ditambahkan ke dalam hidrolisat yang sudah disiapkan untuk menjadi substrat fermentasi kemudian dilanjutkan penambahan nutrisi lain seperti urea sebesar 0,5% dari total gula dan NPK sebesar 0,06% dari total gula. (Susmiati 2010). Proses fermentasi dilakukan pada suhu ruang selama 96 jam. Pada waktu 24 jam pertama diberi perlakukan agitasi menggunakan orbital shaker (125 rpm) dengan sistem tertutup. Setelah 96 jam diakhiri dengan distilasi hidrolisat untuk menghasilkan etanol. Parameter yang dianalisa meliputi efesiensi penggunaan substrat, efesiensi fermentasi, rendemen etanol dan kadar etanol. Data yang didapat akan diolah secara deskriptif dengan cara penyusunan data ke dalam daftar, penggambaran grafik, analisa dan interpretasi data.