A. JUDUL Pemanfaatan Limbah Pod Kakao sebagai Bahan Baku Alternatif Pembuatan Bioetanol Menggunakan Metode Simultaneous Sacharification and Fermentation (SSF) B. LATAR BELAKANG MASALAH Umumnya bioetanol dibuat dari tanaman-tanaman berpati seperti singkong, ubi, sagu, jagung dan sorgum. Tetapi tanaman ini mempunyai nilai guna lain sebagai bahan pangan. Jika tanaman tersebut digunakan sebagai bahan baku dalam memproduksi etanol secara komersial maka akan meminbulkan persaingan antara bahan pangan dan energi. Kakao merupakan salah satu komoditas perkebunan yang peranannya cukup penting bagi perekonomian nasional, khususnya sebagai penyedia lapangan kerja, sumber pendapatan dan devisa negara. Komoditas kakao menempati peringkat ketiga ekspor sektor perkebunan dalam menyumbang devisa negara, setelah komoditas karet dan CPO. Pada tahun 2009 ekspor kakao mencapai US$ 116,51 miliar atau meningkat 26,47% dibanding tahun 2005 (Mahendra, 2010). Semakin meningkatnya produksi kakao akan meningkatkan jumlah limbah buah kakao. Komponen limbah buah kakao yang terbesar berasal dari kulit buahnya atau biasa disebut pod kakao, yaitu sebesar 75 % dari total buah. Jika dilihat dari data produksi buah kakao pada tahun 2009 yang mencapai 849.875 ton, maka limbah pod kakao yang dihasilkan sebesar 637,4 ribu ton. Apabila limbah pod kakao ini tidak ditangani secara serius maka akan menimbulkan masalah lingkungan. Pod kakao merupakan limbah lignoselulosik yang mengandung lignin, selulosa dan hemiselulosa. Bahan selulosa pada limbah dapat dimanfaatkan sebagai sumber karbon untuk produksi etanol (C2H5OH) dengan teknologi sakarifikasi dan fermentasi serentak atau Simultaneous Sacharification and Fermentation (SSF. Berdasarkan fakta-fakta yang terdapat di atas, muncul sebuah ide dalam melakukan penelitian tentang pemanfaatan limbah pod kakao (theobroma cacao) menjadi bioetanol dalam upaya mengurangi limbah organik di lingkungan juga untuk menghindari persaingan bahan baku energi dengan pangan. C. Perumusan Masalah 1
Meningkatnya produksi kakao menjadi hal yang membanggakan bagi Negara Indonesia akan tetapi produksi kakao yang semakin naik juga menyebabkan meningkatnya jumlah limbah buah kakao. Bila limbah tersebut tidak ditangani dengan tepat maka dapat menimbulkan masalah lingkungan. Disisi lain, pada proses pembuatan bioetanol dibutuhkan bahan baku alternatif yang murah dan tidak bersaing dengan bahan pangan. Dengan menghubungkan masalah diatas, maka penelitian ini perlu dilakukan untuk mengetahui potensi limbah pod kakao sebagai bahan baku alternatif pembuatan bioetanol. D. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk : a. Memanfaatkan limbah pod kakao sebgai bahan baku pembuatan bioetanol. b. Mengetahui hubungan antara kadar enzim selulase yang digunakan dalam proses hidrolisis terhadap glukosa yang dihasilkan. c. Mengetahui pengaruh
waktu, kadar yeast
dalam proses fermentasi glukosa
menjadi bioetanol. E. Luaran yang Diharapkan Dengan penelitian ini diharapkan lahirnya artikel yang mengkaji tentang potensi limbah pod kakao untuk digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol ditinjau dari pengaruh enzim selulase dan waktu fermentasi. Karena Selain limbah pod kakao harganya murah juga dalam pemanfaatnya dapat mengurangi limbah dilingkungan. F. Kegunaan Program Kegunaan dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat : 1. Mengetahui potensi limbah pod kakao sebagai bahan baku pembuatan bioetanol. 2. Mengurangi jumlah limbah pod kakao dilingkungan dengan memanfaatkannya sebagai bahan baku pembuatan bioetanol. 3. Menghindari persaingan antara bahan pangan dengan bahan baku pembuatan bioetanol 4. Memberikan wawasan baru kepada masyarakat atau pembaca sebagai dasar pengembangan bioetanol lebih lanjut. G. TINJAUAN PUSTAKA G.1 Kakao (Theobroma cacao) 2
Tanaman kakao bukan tanaman asli Indonesia tetapi tanaman tersebut diperkirakan berasal dari lembah hulu sungai Amazon, Amerika Selatan yang dibawa masuk ke Indonesia melalui Sulawesi Utara oleh Bangsa Spanyol sekitar tahun 1560. Kakao menjadi salah satu komoditas perkebunan yang peranannya cukup penting bagi perekonomian nasional, khususnya sebagai penyedia lapangan kerja, sumber pendapatan dan devisa negara. Disamping itu kakao juga berperan dalam mendorong pengembangan wilayah dan pengembangan agroindustri. Pada tahun 2002, perkebunan kakao telah menyediakan lapangan kerja dan sumber pendapatan bagi sekitar 900 ribu kepala keluarga petani yang sebagian besar berada di Kawasan Timur Indonesia (KTI) serta memberikan sumbangan devisa terbesar ke tiga sub sektor perkebunan setelah karet dan kelapa sawit dengan nilai sebesar US $ 701 juta.
Gambar 2.1. Buah Kakao Trinitario
G.2 Pod Kakao Pod kakao merupakan bagian mesokarp atau dinding buah kakao yang mencakup kulit terluar sampai daging buah sebelum kumpulan biji, terlihat pada Gambar 2. Pod buah kakao merupakan bagian terbesar dari buah kakao. Komposisi bagian-bagian buah kakao dapat dilihat pada Tabel 1.
Gambar 2. Pod Kakao 3
Tabel 1. Komposisi Buah Kakao Komponen
Presentase (DB)
Pod (kulit buah)
75.70
Biji dan pulp
21.68
Plasenta
2.62
Sumber : Ashadi, 1988 Pod kakao merupakan limbah lignoselulosik. Lignoselulosa merupakan serat kasar yang memiliki komponen energi terbesar pada limbah. Limbah lignoselulosik dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan etanol, sehingga menghindari persaingan dengan bahan pangan. Lignoselulosa atau serat kasar terdiri atas tiga penyusun utama, yaitu selulosa, hemiselulosa, dan lignin, yang saling terikat erat membentuk satu kesatuan. Hasil penelitian Ashadi (1998) menunjukkan bahwa serat kasar pod kakao mengandung 20.11 % lignin, 31.25 % selulosa, dan 48.64 % hemiselulosa. G.3. Bioetanol Bioetanol adalah etanol yang dibuat dari biomass yang mengandung komponen monosakarida yang didapat dari pati atau selulosa. Etanol atau etil alkohol (C2H5OH) merupakan bahan kimia organik yang mengandung oksigen yang paling eksotik karena kombinasi sifat-sifat uniknya yang dapat digunakan sebagai pelarut, germisida, minuman, bahan anti beku, bahan bakar, dan khususnya karena kemampuannya sebagai bahan kimia intermediet untuk menghasilkan bahan kimia yang lain. G.4. Pembuatan Etanol dengan Metode SSF Dalam mengubah selulose menjadi etanol tidak dapat secara langsung difermentasi tetapi dengan menggunakan teknologi sakarifikasi dan fermentasi serentak atau Simultaneous Sacharification and Fermentation (SSF). Teknologi ini
dapat
mencakup 4 rangkaian proses yaitu, perlakuan awal, sakarifikasi, fermentasi dan destilasi (Hambali, 2008). Berikut adalah tahapan proses pembuatan etanol : 1. Perlakuan Awal
4
Sebelumnya, bahan baku yang mengandung selulosa harus dikecilkan ukuranya terlebih dahulu lalu dikeringkan agar kadar airnya minimum (Setelah itu digunakan jamur pelapuk putih (white rot fungi) dan pemanasan pada suhu tinggi (steaming) yang bertujuan untuk meningkatkan konversi etanol dari bagas agar lebih optimal. Hal ini dikarenakan pretreatment dengan jamur pelapuk putih dan steaming dapat menghancurkan kandungan lignin pada pod kakao yang mempersulit kerja enzim dalam mengakses keberadaan selulosa. 2. Sakarifikasi Selulosa merupakan polimer glukosa dengan ikatanβ -1,4 glukosida dalam rantai lurus. Selulosa terdiri atas 15-14.000 unit molekul glukosa Rantai panjang selulosa terhubung secara bersama melalui ikatan hidrogen dan gaya van der Waals (Coughlan, 1989). Ragi (saccharomyses cerevisiae) tidak dapat langsung memfermentasikan selulosa. Oleh karena itu diperlukan tahap hidrolisis, yakni perubahan selulosa menjadi glukosa dengan menggunakan enzim atau asam. Hidrolisis dengan enzim merupakan proses pemecahan struktur selulosa menjadi satuan-satuan monomernya yaitu glukosa dengan bantuan enzim. Hidrolisis dengan enzim baik dibandingkan secara kimiawi (mengggunakan asam) karea menghasilkan % hasil yang lebih tinggi ,biaya produksi yang lebih murah , tidak menyebabkan korosi dan bersifat ramah lingkungan. Dengan memanfaatkan enzim pengurai selulosa dari mikroorganisme, konversi selulosa untuk menghasilkan β -1,4 glukosida yang tidak terfermentasi terjadi karena hidrolisis enzimatis. Secara keseluruhan terdapat tiga jenis reaksi yang dikatalisis oleh enzim selulase : 1. Memotong interaksi nonkovalen dalam bentuk ikatan hydrogen yang ada dalam struktur Kristal selulosa oleh enzim endo-selulase 2. Hidrolisis serat selulosa menjadi sakarida yang lebih sederhana oleh ekso-selulase
5
3. Hidrolisis disakarida dan tetrasakarida menjadi glukosa oleh enzim βglukosidase. Ketiga reaksi tersebut dijelaskan dalam gambar 5 (Fao,2005).
Gambar 3. Mekanisme keseluruhan kerja enzim selulase 3. Fermentasi Tahap inti dari produksi bioetanol adalah fermentasi gula sederhana, baik yang berupa glukosa, sukrosa, maupun fruktosa dengan menggunakan ragi/yeast terutama Saccharomyces cerevisiae. Saccharomyces merupakan mikroorganisme bersel tungal yang sangat dikenal masyarakat luas sebagai ragi roti (baker’s yeast). Ragi roti ini selain digunakan dalam pembuatan makanan dan minuman, juga digunakan dalam industri etanol (Umbreit, 1959). Dalam proses ini, gula akan dikonversi menjadi etanol dan gas karbon dioksida . Persamaan reaksi fermentasinya: C6H12O6 —> 2 CH3CH2OH + 2 CO2 glucose
etanol
carbon dioxide (Waller, 1981).
Fermentasi dapat didefenisikan sebagai perubahan gradual oleh enzim beberapa bakteri, ragi, dan jamur. Bahan dasar untuk kebutuhan fermentasi dapat berasal dari hasil pertanian, perkebunan, maupun limbah industri. Bahan dasar harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut: Mudah didapat,
6
jumlahnya besar, murah harganya dan bila diperlukan ada penggantinya (Hidayat, 2006). 4. Distilasi Kadar etanol hasil fermentasi tidak dapat mencapai level diatas 18 - 21%, sebab etanol dengan kadar tesebut bersifat toxic terhadap ragi yang memproduksi etanol tersebut sehingga untuk memperoleh etanol dengan kadar yang lebih tinggi perlu dilakukan distilasi. Distilasi adalah proses pemanasan yang memisahkan etanol dan beberapa komponen cair lain dari substrat fermentasi sehingga diperoleh kadar etanol yang lebih tinggi (Archunan, 2004). H. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian dilakukan menggunakan metode eksperimental dan dilakukan di laboratorium teknik kimia Universitas Diponegoro, dengan tahapan penelitian sebagai berikut : Pod Kakao
Perlakuan Awal (Menghaluskan Bahan, Pengeringan dan Penghilangan lignin)
Sakarifikasi (enzim selulase)
Fermentasi (Saccharomyces cerevisisae)
Destilasi
Glukosa
Bioetanol kadar rendah
Bioetanol kadar tinggi
Gambar 3. Skema pembuatan bioetanol fuel grade Rangkaian penelitian diawali dengan persiapan bahan, bahan berupa pod kakao dihaluskan untuk memperluas permukaan pod kakao sehingga memudahkan reaksi 7
hidrolisis. Setelah itu, bahan dikeringkan agar kadar airnya berkurang. Lignin kemudian dipisahkan dengan menggunakan jamur pelapuk putih (white rot fungi). Setelah bahan siap, dilakukan hidrolisis hingga dihasilkan glukosa. Glukosa ini kemudian
difermentasi
dengan
bantuan
Saccharomyces
cerevisiae
dan
menghasilkan bioetanol. Etanol yang dihasilkan kemudian di analisis dengan metode kromatografi gas (Gas Cromathography). H.1. Variabel Percobaan a. Variabel Berubah Kadar Enzim Selulase
: 4%, 6% dan 8%g
Waktu fermentasi
: 48, 72 dan 96 jam
Kadar Yeast
: 3%, 5%, dan 7%v
b. Variabel Tetap 1. Sakarifikasi/Hidrolisis
2. Fermentasi
Serbuk pod kakao
: 100 gram
S. cerevisiae
: 5%v
Aquadest
: 1 Liter
Urea
: 5.4%v
pH
:5
Medium Nutrient
Suhu hidrolisis
: 500C
(NH4)2PO4
: 1,0 g/l
Waktu Hidrolisis
:
MgSO4.7H2O
: 0,05 g/l
pH fermentasi
: 4.5
H.2. Bahan dan Alat yang Digunakan a. Bahan
Pod kakao
Enzim selulase
Aquadest
Saccharomyces
H2SO4
cerevisaiae
NaOH
Urea
Jamur pelapuk
Medium Nutrient
putih
b. Alat
Gelas ukur
Pipet tetes
Buret, statif, klem
Erlenmeyer
Piknometer
Pendingin liebig
Beaker glass
Thermometer
Magnetic stirrer
Kawat osse
Indikator pH
Pengaduk
Autoclave
Labu leher tiga
Kompor listrik 8
Labu ukur
Labu distilasi
Kolom adsorpsi
c. Gambar Alat
Keterangan
:
1. Reaktor 2. Waterbath 4
3. Magnetic stirrer
1 2
5
4. Thermometer 5. Heater
Gambar 3.2 Rangkaian alat sakarifikasi 3 H.5. Prosedur Percobaan 1. Persiapan Bahan Baku Bahan berupa pod kakao dihaluskan (kurang lebih 30-60 mesh) sehingga ukuran partikel lebih seragam, kemudian dikeringkan dengan oven selama 1 jam pada suhu 60-700C sehingga kadar air maksimal 10% dan disimpan di tempat yang kering. Bahan tersebut kemudian di-pretreatment dengan jamur pelapuk putih Lentinus edodes selam 4 minggu. 2. Metode SSF Pada tabung reaksi , dimasukkan secara berurutan 0,25 g sampel
,
selulase 10 sesuai variabel dan 2,5 ml yeast inokulum, 0,5 ml Na-citrate buffer pada pH 5.0, dan medium nutrient 2,5 ml. Sampel, medium nutrient, dan citrate buffer disterilisasi pada suhu 121 oC selama 20 menit dengan menggunakan autoclave, namun enzim ditambahkan tanpa sterilisasi. Medium nutrient terdiri dari 1,0 g l-1 (NH4)2PO4; 0,05 g l-1 MgSO4.7H2O dan 2 g l-1 yeast ekstrak. Kultivasi diambil dan dimasukan dalam test tube sebanyak 5.0 ml kemudian disentrifugasi menggunakan orbital shaker pada kecepatan 100 rpm selama 96 jam pada suhu 35 oC. Cairan bersih sampel diambil dengan sampling 48, 72 dan 96 jam dan diuji etanol yang dihasilkan. 3. Analisa Produk Penentuan Konsentrasi Etanol
9
Konsentrasi etanol ditentukan dengan metode kromatografi gas (Gas Cromathography) jenis SUPEL COWAX-10 (Supelco Inc., 0,53 mm i.d., 15 m, 0,5 mm, FID) pada temperatur 50oC. Sebelum pengujian, sampel diambil 50 μl dan ditambah 200 μl distilled water (5 kali pengenceran). I. JADWAL PELAKSANAAN Penelitian ini dilakukan selama lima bulan dengan rincian kegiatan sebagai berikut: Tabel 3. Jadwal Kegiatan Program Kegiatan
Bulan 1
2
3
4
5
Studi Literatur Persiapan Bahan Rancangan Alat Eksperimen Analisis dan Interpretasi Data Penyusunan laporan
J. RANCANGAN BIAYA : Peralatan Penunjang PKMP (Ni lum sy Revisi,,klo bsa dibuat silahkan.. tp kykny km lum bsa deh..:)haha - Pipa peralon, sambungan, dan lem
Rp 90.000,00
- Barometer
Rp 145.000,00
- 2 @Kran
Rp 40.000,00
- Corong 2 @
Rp 20.000,00
- Sewa alat laboratorium 2 bulan
Rp 700.000,00
- Penyaring wheatman 1 pack
Rp. 50.000,00
- Pompa centrifugal
Rp. 2.500.000,00 Rp 3.425.000,00
Pembelian Bahan habis Pakai - Kelapa tua 160@Rp. 5000,00
Rp. 35.000,00
- Aquadest (200 liter)@ Rp. 1.500,00
Rp. 300.000,00 Rp. 335.000,00 10
Transportasi dalam kota dan luar kota
Rp 300.000,00
Lain-Lain - Fotocopy Literatur dan Jurnal
Rp 100.000,00
- Fotocopy laporan @ 5 eksemplar
Rp 100.000,00
- Flash Disk 1 buah @ Rp 100.000,00
Rp 200.000,00
- Kabel dan stop kontak
Rp 75.000,00
- Kertas label, tisu roll, busa cuci, dll
Rp 85.000,00
- Catridge printer
Rp 300.000,00
- Akses internet
Rp 280.000,00
- Uji sampel Percobaan (Wahana Lab.)
Rp 1.200.000,00
- Kertas 1 rim A4
Rp 40.000,00
- Tinta Uji sampel Percobaan (Wahana Lab.)
Rp 1.200.000,00
TOTAL PENGELUARAN
Rp. 7.000.000,00
K. DAFTAR PUSTAKA (Tolong Dapusny disesuaikan ,, yg g ad dihapus aj) Archunan, G., Microbiology, 1st, Sarup & Sons, New Delhi, 2004, pp. 357-358. Ashadi, R.W., Pembutaan Gula Cair dari Pod Coklat dengan Menggunakan Asam Sulfat, Enzim, serta Kombinasi Keduanya. Skripsi. Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. Bogor, 1988. Buckle, K. A., Ilmu Pangan, Universitas Indonesia Press. Jakarta, 1987. Coughlan, M. P., Enzyme System for Lignocellulose Degradation, Elsevier Applied Science, London and New York, 1989. Desrosier, Teknologi Pengawetan Pangan. Penerjemah M. Muljahardjo. UI-Press, Jakarta, 1988. European Bioinformatics Institute, Eukaryotes Genomes-Saccharomyces cerevisiae, 1996, [diakses 22 Juni 2011]. Diambil dari: URL: Hyperlink http://www.ebi.ac.uk/2can/genomes/eukaryotes/Saccharomyces_cerevisiae.html Fan, L.T., Y.H. Lee, dan M.M.Gharpuray, The Nature of Lignocellulosics and Their Pretreatment for Enzymatic Hydrolysis. Adv. Bichem. Eng. 23, 1982, pp.158 – 187. 11
Fardias, Srikandi, Fisiologi Fermentasi, Lembaga Sumber Daya Informasi-IPB, Bogor, 1988. Fieser, L.F. dan Fieser, M., Reagents for Organic Synthesis, 1st, John Wiley & Sons, New York, 1967, pp. 703-705. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Mechanism of the enzyme cellulase, 2005 [diakses 22 Juni 2011]. Diambil dari: URL: Hyperlink http://www.fao.org/docrep/w7241e/w7241e08.htm Frisch, K.C., Phenolic Resin and Plastics dalam Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 15 Edisi 2rd, Mei Ya Publication Inc, 1967. Halimatuddahliana, Pembuatan n-Butanol Dari Berbagai Proses, USU Digital Library, 2004. Hambali, E., dkk., Teknologi Bioenergi .Cetakan ketiga, PT.Agromedia Pustaka, Jakarta, 2008, Hal. 3-5, 38-50 . Hidayat, N., Masdiana C.P. dan Sri S., Mikrobiologi Industri, CV. Andi Offset. Yogyakarta, 1996, Hal. 2-14,18-24,111-120,179-192. Kavanagh, Kevin, Fungi Biology and Applications, John Willey & Sons Ltd, England, 2005. Kirk, R. E., and R. F. Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, vol. 9, John Wiley and Sons Ltd, Canada, 1951. Mathewson, S.W., Drying the Alcohol. Chapter 12. In: The Manual for the Home and Farm Production of Alcohol Fuel, Ten Speed Press, California, 1980. Monick, J.A., Alcohols, Reinhold Book Corporation, New York, 1968, pp. 40, 52. Oshima, M., Wood Chemistry Process Engineering Aspec, Noyes Develop. Corp., New York, 1965. Perez, J. et al., Biodegradation and Biolgical Treatments of Cellulose, Hemicellulose, and Lignin: An Overview, Int Microbiol, Vol. 5, 2005, pp. 53-63. Prescott, Samuel Cate and Cecil Gordon Dunn, Industrial Microbiology, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1959. Prihandana, Bioetanol Ubi kayu Bahan Bakar Masa Depan, Agromedia, Jakarta, 2008. Suharto, Bioteknologi Dalam Dunia Industri. Edisi I, Penerbit Andi Offset, Yogyakarta, 1995, Hal. 18, 23, 25-27, 40-41, 122-125. 12
Sun, Y. and Cheng, J., Hydrolysis of Lignocellulosic Materials for Ethanol Production: A Review, Bioresource Technology, Vol. 83, 2002, pp. 1-11. Suryani, Dinie dan Zulfebriansyah, Komoditas Kakao : Potret dan Peluang Pembiayaan, Economic Review, 2007, No. 210. Roesmanto, J., Kakao: Kajian Sosial Ekonomi, Aditya Media. Yogyakarta , 1991 pp. 165. Taherzadeh, Muhammad J. and Karimi, Keikhosro, Pretreatment of Lignocellulosic Waste to Improve Bioethanol and Biogas Production. Int. J. Mol. Sci 9, 2008, pp. 1621-1651. Umbreit, Wayne W., Advances In Applied Microbiology, Vol. 1, Rutgers University, New Jersey, 1959. Volk, Wesley A., Mikrobiologi Dasar, edisi ke-5, Erlangga, Jakarta, 1993. Waller, J.C., dkk., Feeding Value of Ethanol Production By-products, National Academy Press, Washington D.C, 1981, pp. 11-12. Wardoyo, S., Beberapa Persyaratan Dasar Untuk Meningkatkan Mutu Biji Kakao Indonesia. Proc. Komp. Nas. Kakao III. Buku 2. Pusat Penelitian Perkebunan Jember-Pusat Penelitian Perkebunan Medan, ASKINDO, Medan, 1991, hal. 7576. (U/ Data Lainya Lampiran Nnnti sy Masukan, Oh Iya Biodatamu skalian Lampirkan dibwah y) Batas Max 15 hal di usahakan di edit sampai 13 hal spy CV bsa masuk… Semangat … Go To PIMNAS XXV…
13
