II. TINJAUAN PUSTAKA A. LIGNOSELULOSA Lignoselulosa merupakan bahan penyusun dinding sel tanaman yang komponen utamanya terdiri atas selulosa, hemiselulosa, dan lignin (Demirbas, 2005). Selulosa adalah polimer rantai panjang D-glukosa dengan ikatan β 1-4 glikosidik, sedangkan hemiselulosa lebih bersifat heterogen yang terdiri dari xilosa, galaktosa, manosa, arabinosa atau glukosa, tergantung dari jenis tanaman sumbernya (Gambar 1) (devries dan Visser, 2001). Berbeda dengan keduanya, lignin merupakan polimer kompleks (monomernya disebut dengan monolignol) dengan struktur yang tidak teratur (tidak berpola) (Buranov dan Mazza, 2008). Kadar komponen-komponen tersebut di dalam tanaman berkisar antara 23-53 % selulosa; 20-35 % hemiselulosa, 10-25 % lignin (Knauf dan Moniruzzaman, 2004). Selain tiga komponen utama, terdapat pula komponen yang dapat diekstrak, disebut dengan ekstraktif yang kadarnya 1-7 % (Demirbas, 2005). Perbedaan kandungan komponen pada lignoselulosa dipengaruhi oleh tempat tumbuh dan umur tanaman sumbernya (Buranov dan Mazza, 2008). Pada LTJ, komposisi ketiga komponen utama lignoselulosa dapat dilihat pada Tabel 1. Gambar 1. Hemiselulosa (arabinoxylan) pada tanaman sereal (Sumber : devries dan Visser, 2001). Lignoselulosa dapat diperoleh dari beberapa residu atau limbah, diantaranya adalah limbah pertanian seperti limbah tanaman jagung, jerami gandum dan padi, serta limbah hasil hutan. Lignoselulosa juga dapat diperoleh dari limbah perindustrian, seperti pada industri pulp dan kertas (Demirbas, 2005; Knauf dan Moniruzzaman, 2004). Selain itu, lignoselulosa juga dapat berupa 4
tanaman yang sengaja dibudidaya untuk tujuan energi, seperti switchgrass. Secara teoritis, 1 ton kering lignoselulosa dari bagas (hasil samping industri gula) dapat menghasilkan 112 galon (424.48 L) etanol (Knauf dan Moniruzzaman, 2004). Tabel 1. Komposisi kimia limbah tanaman jagung* Negara/Negara Bagian Lignin (%) Selulosa (%) Hemiselulosa (%) Amerika Serikat 17.2 36.1 21.4 Itali 21.2 36.8 22.2 Colorado 17.6 37.5 20.8 Iowa 17.6 38.6 20.6 China 15 td 28 td: tidak dilaporkan *modifikasi dari Buranov dan Mazza (2008) B. STRUKTUR LIGNIN DAN EKSTRAKSINYA Sebagai bagian dari lignoselulosa, lignin merupakan komponen ketiga terbanyak di bumi. Lignin dapat dikelompokkan menjadi tiga kelompok, yaitu lignin kayu keras (hardwood), lignin kayu lunak (softwood), dan lignin rerumputan (herbaceous). Secara literatur, pembahasan tentang struktur lignin dari bahan berkayu telah cukup banyak, tetapi untuk lignin dari bahan non-kayu belum banyak diketahui, meskipun akhir-akhir ini komoditas ini menjadi fokus para peneliti (Buranov dan Mazza, 2008). Lignin merupakan polimer dengan monomer berupa monolignol. Monolignol dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu (1) p-coumaryl, (2) coniferyl, dan (3) sinapyl alcohol (Gambar 2). Di dalam polimer, ketiga molekul alkohol aromatik ini disebut dengan p-hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G) dan syringyl (S). Lignin pada tanaman berkayu utamanya tersusun atas G dan S, sedangkan tanaman rerumputan mengandung ketiga alkohol aromatik tersebut (H, G, dan S) (Buranov dan Mazza, 2008). 5
Gambar 2. Monolignol (Sumber : Buranov dan Mazza (2008)) Pada tanaman jenis rerumputan, lignin terikat pada karbohidrat (arabinoxilan) melalui asam ferulat. Asam ferulat ini terikat pada lignin dengan ikatan eter dan terikat pada karbohidrat dengan ikatan ester. Struktur ini dikenal dengan kompleks lignin/fenolik-karbohidrat (Gambar 3) (Buranov dan Mazza, 2008). Tanaman jagung memiliki ikatan ester pada asam fenoliknya dengan jumlah mencapai lebih dari 90% ikatan totalnya (Lozovaya et al., 2000). Gambar 3. Kompleks lignin/fenolik-karbohidrat (modifikasi dari Buranov dan Mazza, 2008) Mula-mula diketahui lignin dapat diekstrak dengan menggunakan air panas (140 o C), kemudian dikembangkan ekstraksi lignin dengan berbagai pelarut, larutan basa, dan enzim. Metode yang digunakan untuk mengekstrak lignin disesuaikan dengan strukturnya. Ikatan eter pada kompleks lignin/fenolikkarbohidrat memiliki sifat lemah terhadap perlakuan asam, sehingga ekstraksi dengan asam akan memutus ikatan ini dan menghasilkan residu feruloil-arabinosa yang tetap memiliki ikatan ester, sedangkan ikatan esternya bersifat lemah terhadap perlakuan basa (Gambar 4). Gugus fenolik pada lignoselulosa 6
rerumputan dapat dihilangkan separuhnya dengan ekstraksi menggunakan natrium hidroksida pada temperatur ruang (Buranov dan Mazza, 2008). Gambar 4. Posisi pemutusan ikatan lignoselulosa pada perlakuan awal asam dan basa (Sumber : Buranov dan Mazza, 2008) C. PERLAKUAN AWAL DAN DELIGNIFIKASI Salah satu kesulitan yang dihadapi dalam memanfaatkan lignoselulosa untuk bahan baku bioetanol adalah rendahnya tingkat digestibilitas enzim dalam proses depolimerisasi selulosa (hidrolisis). Kesulitan ini disebabkan karena kompleksitas struktur lignoselulosa (Classen et al., 1999; Szczodrak dan Fiedurek, 1996). Untuk mengatasi kesulitan ini, maka perlu dilakukan perlakuan awal terhadap lignoselulosa. Perlakuan awal akan mengubah struktur rumit lignoselulosa sehingga akan meningkatkan digesitibilitas enzim (Kim dan Holtzapple, 2006 a ; Knauf dan Moniruzzaman, 2004; Mosier et al., 2005; Kaar dan Holtzapple, 2000). Perubahan yang terjadi pada struktur lignoselulosa yang telah diberi perlakuan awal dapat berupa pemisahan antara selulosa dengan materi yang melindunginya (hemiselulosa dan lignin) dan perubahan struktur selulosa yang pada awalnya berbentuk kristal menjadi amorf, sehingga mudah untuk dihidrolisis (Gambar 5). Komposisi hasil proses perlakuan awal sangat tergantung dari sumber lignoselulosa yang digunakan dan proses perlakuan awal yang dilakukan (Knauf dan Moniruzzaman, 2004). Secara umum terdapat tiga pengelompokan proses perlakuan awal, yaitu perlakuan awal secara fisik, biologi, dan kimia (Taherzadeh dan Karimi, 2008; Knauf dan Moniruzzaman, 2004), selain itu ada juga jenis perlakuan awal secara 7
fisiko-kimia yang menggabungkan antara perlakukan fisik dengan kimiawi (Taherzadeh dan Karimi, 2008; Mosier et al., 2005). Di antara perlakuan awal secara fisik adalah penggilingan, iradiasi (dengan sinar gama, gelombang elektron, dan gelombang mikro) (Taherzadeh dan Karimi, 2008), akan tetapi hampir semua perlakuan awal secara fisik tidak cukup efektif untuk menghilangkan lignin dan seringkali memerlukan biaya besar (Knauf dan Moniruzzaman, 2004). Perlakuan awal secara biologi dilakukan dengan menumbuhkan organisme pada media lignoselulosa sehingga terjadi pengurangan lignin dan selulosa. Dalam perlakuan awal secara biologi, jamur pelapuk putih yang dianggap paling efektif. Meskipun demikian, secara umum perlakuan awal jenis ini hanya mengurangi sedikit lignin (Taherzadeh dan Karimi, 2008), serta memerlukan waktu yang lama (Knauf dan Moniruzzaman, 2004). Dari ketiga jenis perlakuan awal tersebut, perlakuan awal menggunakan bahan kimia lebih mendapat perhatian karena lebih efektif dalam mengurangi lignin (Knauf dan Moniruzzaman, 2004). Beberapa jenis perlakuan awal yang menggunakan bahan kimia telah diulas oleh Taherzadeh dan Karimi (2008) serta Mosier et al. (2005), diantaranya adalah steam explosion, steam explosion dengan penambahan SO 2, AFEX (ammonia fiber explosion), CO 2 explosion, air panas (liquid hot water), gelombang mikro dengan penambahan kimia (microwave chemical), asam, alkali (basa), peroksida alkali, organosolv, dan oksidasi dalam air (wet oxidation). Chen et al. (2009) telah membandingkan empat jenis perlakuan awal kimiawi yang sering digunakan, yaitu H 2 SO 4 encer, Ca(OH) 2, NH 3 /HCl, dan NaOH, dengan hasil tingkat delignifikasi tertinggi diperoleh dengan perlakuan awal menggunakan NaOH. Perlakuan awal mengurangi jumlah lignin yang berperan di dalam lignoselulosa sebagai penjaga struktur, dan pencegah lignoselulosa mengembang yang mengakibatkan kerja enzim penghidrolisis terhambat. Oleh sebab itu, delignifikasi terhadap lignoselulosa akan meningkatkan efektivitas hidrolisis enzim. Pemisahan lignin juga akan mengakibatkan pengembangan pada lignoselulosa. Meskipun demikian, pengembangan yang terjadi tidak mengakibatkan perubahan ukuran pori-pori yang dapat mempermudah masuknya 8
enzim, walaupun tetap terjadi peningkatan efektivitas hidrolisis. Oleh sebab itu, pengaruh pemisahan lignin terhadap hidrolisis lebih karena peningkatan akses enzim pada permukaan lignoselulosa setelah lignin dihilangkan (Taherzadeh dan Karimi, 2008). Gambar 5. Skema perlakuan awal (Sumber : Mosier et al. (2005)). D. DELIGNIFIKASI ALKALI Hingga saat ini terdapat banyak pilihan perlakuan awal secara kimia yang telah dikembangkan. Salah satu yang menarik bagi para peneliti adalah perlakuan awal dengan alkali (Szczodrak dan Fiedurek, 1996). Kim dan Holtzapple (2005) menyebutkan bahwa perlakuan awal dengan alkali akan mengurangi jumlah lignin sehingga meningkatkan efektivitas enzim untuk menghidrolisis selulosa. Perlakuan ini juga mengurangi gugus asetil yang meningkatkan digestibilitas selulosa. Meskipun perlakuan awal ini efektif dalam memutus ikatan antara lignin dengan karbohidrat, pada perlakuan awal dengan natrium hidroksida dan kalsium hidroksida, hanya sedikit jumlah komponen karbohidrat yang hilang (Kaar dan Holtzapple, 2000; Szczodrak dan Fiedurek, 1996). Hasil dari perlakuan awal dengan alkali tidak ditemukan adanya furfural dan hidroksimetilfurfural (HMF) yang menjadi inhibitor dalam proses fermentasi, ini menjadi kelebihan jika dibandingkan dengan jika menggunakan asam (Taherzadeh dan Karimi, 2008). Sebagai salah satu jenis perlakuan awal dengan alkali, perlakuan awal dengan kalsium hidroksida memiliki kelebihan tersendiri, yaitu kemudahan dan 9
keamanan dalam recovery dengan karbon dioksida (Mosier et al., 2005) serta harga yang relatif murah jika dibandingkan dengan basa lain (Kaar dan Holtzapple, 2000). Dengan perlakuan awal menggunakan kalsium hidroksida, konversi glukan, xilan, dan arabinan mencapai 88,0 %; 87,7 %; dan 92,1% pada konsentrasi 0,075 g/g biomassa kering dan penambahan 5 g air/ g biomassa kering. Selain itu, perlakuan awal ini dapat dilakukan pada temperatur ruang dengan pengurangan lignin sebanyak 43.6 87.4 % tergantung kondisi reaksi (Kim dan Holtzapple 2005). Selama proses delignifikasi menggunakan Ca(OH) 2, lignin terpisah dari lignoselulosa. Semakin lama proses delignifikasi, semakin banyak ikatan-ikatan di dalam lignoselulosa yang terputus. Kinetika delignifikasi LTJ dengan penambahan Ca(OH) 2 telah diteliti oleh Kim dan Holtzapple (2006 b ) baik dalam kondisi oksidatif (dengan penambahan oksigen) maupun non-oksidatif (tanpa penambahan oksigen). Residu lignin selama proses delignifikasi membentuk fungsi eksponensial terhadap lama pemanasan. Terdapat tiga pembagian tahap dalam proses delignifikasi alkali, yaitu initial, bulk, dan residual. Dalam tahap initial, terjadi pemutusan ikatan α-o-4 dan β-o-4 pada gugus fenolik, kemudian diikuti dengan pemutusan ikatan β-o-4 pada gugus non-fenolik pada tahap bulk. Apabila delignifikasi terus dilanjutkan hingga tahap residual, maka akan terjadi pemutusan ikatan antar atom C pada lignin dan degradasi karbohidrat (Kim dan Holtzapple, 2006 b ). Penggunaan delignifikasi Ca(OH) 2 untuk meningkatkan hidrolisis enzim terhadap LTJ telah diteliti oleh Kaar dan Holtzapple (2000) dengan penambahan Ca(OH) 2 0.075 g/g bahan. Pada delignifikasi tersebut kondisi delignifikasi yang direkomendasikan untuk hidrolisis enzim (10 FPU/g bahan kering) adalah pada temperatur 120 o C dengan lama pemanasan selama 4 jam. Kemudian Kim dan Holzapple (2005) melakukan hal sama, namun dengan temperatur optimum yang lebih rendah (55 o C) dan dengan waktu yang lebih lama (4 minggu). Pada kondisi tersebut, lignin dapat dihilangkan hingga 47.7 % pada penambahan Ca(OH) 2 sebanyak 0.050 g/g bahan. 10