BAB I PENDAHULUAN 1.1.
Latar Belakang Penelitian Tumbuhnya eceng gondok dalam suatu ekosistem dapat menyebabkan
penurunan kualitas lingkungan ekosistem tersebut. Di beberapa danau di dunia, seperti Danau Victoria, Danau Toba dan danau lain, eceng gondok tumbuh melampaui spesies alami, sehingga mengurangi biodiversitas ekosistem tersebut (Moedjojo et al. 2006; Rutashobya, 1996 dalam Katima, 2001). Eceng gondok mampu memurnikan suatu badan air tetapi ketika tumbuh di luar kendali, tumbuhan ini menyebabkan banyak masalah (Flacker, 2004; Jafari, 2010; Mahamadi, 2011). Karena usaha mengontrol populasi eceng gondok telah mengalami banyak kegagalan, studi baru-baru ini lebih ditekankan pada pemanfaatannya (Abdel-sabour, 2010; Malik, 2007). Salah satu pemanfaatan yang ramah lingkungan adalah dengan mengubah eceng gondok ke etanol (Mukhopadhyay dan Chatterjee, 2010). Penelitian-penelitian terdahulu mengenai produksi bioetanol dari eceng gondok beserta penelitian lain yang dijadikan sebagai acuan dalam modifikasi proses, diringkas dalam Tabel 1.1. Dari penelitian-penelitian yang telah dilakukan, alur proses secara umum meliputi praperlakuan (pretreatment) dengan/tanpa detoksifikasi, diikuti hidrolisis dan
fermentasi
yang
dilangsungkan
terpisah
(Separated
Hydrolysis
and
Universitas Sumatera Utara
Fermentation) ataupun bersamaan seperti Simultaneous Saccharification and Fermentation / Simultaneous Saccharification, Co-Fermentation and Fermentation / Consolidated BioProcessing). Tabel 1.1. Ringkasan Penelitian Terdahulu Lingkup studi Metode dan kondisi praperlakuan (bioetanol / eceng gondok)
Peneliti Abdel-Fattah dan Abdel-Naby, 2012 Ahn et al. 2012 Eshtiaghi et al. 2012 Merina dan Trihadinigrum, 2011 Sari et al. 2011 Satyanagalakshmi et al. 2011 Guragain et al. 2011 Harun et al. 2011 Ma et al. 2010 Sornvoraweat dan Kongkiattikajorn, 2010 Masami et al. 2008 Isarankura-NaAyudhya et al. 2007
Hasil Tiap metode praperlakuan memiliki kelemahan dan kekurangan masing-masing. Praperlakuan yang lebih intensif biasanya memungkinkan konversi selulosa yang lebih tinggi dan lebih cepat, namun menyebabkan terbentuknya inhibitor. Praperlakuan yang terlalu lama dianggap tidak efektif dan menyebabkan degradasi gula. Terdapat literatur yang menyebutkan bahwa penggilingan saja merupakan praperlakuan yang memadai. Dari berbagai metode yang pernah dicoba, hanya praperlakuan biologis dengan jamur akar putih yang tidak menghasilkan inhibitor.
Jenis, rasio dan konsentrasi enzim (bioetanol / eceng gondok)
Abdel-Fattah dan Abdel-Naby, 2012 Ahn et al. 2012 Eshtiaghi et al. 2012 Takagi et al. 2012 Kurniati et al. 2011 Satyanagalakshmi et al. 2011
Penggunaan campuran enzim selulase memberikan efek sinergis. Semakin tinggi konsentrasi enzim, konversi yang lebih tinggi dan lebih cepat diperoleh. Akan tetapi, dalam banyak studi disampaikan bahwa peningkatan hasil tidak sebanding dengan biaya tambahannya. Selain selulase, penggunaan jenis enzim lain seperti pektinase, hemiselulase, arabinose, ligninase, dan xilanase juga memberikan kontribusi positif dalam produksi bioetanol.
Loading biomassa (bioetanol / eceng gondok)
Takagi et al. 2012 Satyanagalakshmi et al. 2011
Studi-studi yang ada menunjukkan bahwa ketika loading biomassa ditingkatkan, konsentrasi etanol akhir meningkat tetapi konversi dan produktivitas menurun.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1. Ringkasan Penelitian Terdahulu Lingkup studi Mikroba fermentasi (bioetanol / eceng gondok)
Peneliti Takagi et al. 2012 Merina dan Trihadinigrum, 2011 Sornvoraweat dan Kongkiattikajorn, 2010 Mishima et al. 2008
Hasil Beragam strain dan spesies ragi dan bakteri telah dicoba. Parameter utama perbandingan biasanya adalah yield etanol yang dicapai masing-masing organisme. Strain baru dan rekombinan masih terus diisolasi dan dikembangkan.
Penggunaan surfaktan (bioetanol / eceng gondok)
Satyanagalakshmi et al. 2011
Penggunaan surfaktan mengurangi ikatan non efektif selulase pada lignin sehingga mengurangi konsumsi enzim.
Mode proses (bioetanol / eceng gondok)
Mukhopadhyah dan Chatterjee, 2010 Mishima et al. 2008
Mode proses yang menggabungkan fermentasi dan hidrolisis memberikan hasil yang lebih baik.
Ekstraksi etanol
Offeman et al. 2010; 2008; 2006 Stang et al. 2001 Kim et al. 1999 Munson dan King, 1984
Berbagai jenis pelarut diuji. Tiap pelarut memberikan harga koefisien distribusi dan faktor separasi yang sangat beragam. Beberapa karakteristik pelarut menentukan toksisitas pelarut. Penerapan ekstraksi simultan meningkatkan produksi bioetanol.
Peningkatan toleransi ragi
Hu et al. 2003
Ion Mg2+ mengurangi permeabilitas membran plasma dan meningkatkan toleransi etanol ragi.
Fermentasi non-steril (bioetanol / non-eceng gondok)
Larsen, 2012
Pada konsentrasi yang tidak terlalu tinggi, efek inhibisi dari inhibitor dalam larutan fermentasi tidak terlalu mengganggu ragi, tetapi sangat menghambat pertumbuhan bakteri asam laktat
Pergeseran kesetimbangan cair-cair akibat penambahan garam
Ghalami- Choobar et al. 2011 Palei, 2010
Garam menggeser alkohol dari air ke solven hidrofobik. Heterogenitas dan zona separasi juga meningkat.
Daur ulang (bioetanol / non-eceng gondok)
Weiss et al. 2013 Xue et al. 2012 Gumienna et al. 2011
Berbagai jenis daur ulang melalui immobilisasi sel, enzim, padatan maupun daur ulang distilat telah dicoba. Hasil menunjukkan bahwa daur ulang memberi kontribusi positif dalam proses.
Universitas Sumatera Utara
Kebanyakan penelitian-penelitian tersebut berfokus pada evaluasi metode proses, pengembangan mikroba fermentasi, ataupun optimisasi kondisi operasi. Perkembangan aspek-aspek tersebut sangat dipengaruhi rekayasa genetika dimana mikroorganisme rekombinan dan enzim-enzim chimera telah dikembangkan. Sementara aspek-aspek tersebut terus berkembang pesat, aspek-aspek lain seperti pemurnian etanol, peluang daur ulang total proses, dan peluang fermentasi non-steril yang dapat mempengaruhi biaya operasi tampaknya masih kurang diteliti. Oleh karena itulah, penelitian ini lebih diarahkan pada aspek-aspek tersebut dengan mengadaptasikan beberapa modifikasi dalam produksi bioetanol dari eceng gondok. Adapun modifikasi yang dimaksud meliputi: 1. Penggunaan produksi enzim on-site, 2. Perlakuan hidrolisis, fermentasi, dan ekstraksi secara simultan, 3. Penambahan magnesium sulfat (mempengaruhi fermentasi dan ekstraksi), 4. Penerapan daur ulang hidrolisat fermentasi, dan 5. Dilangsungkannya daur ulang fermentasi secara non-steril. 1.2.
Perumusan Masalah Permasalahan utama dalam penelitian ini adalah merumuskan suatu konsep
produksi bioetanol dari eceng gondok yang aman, ekonomis, sederhana, dan ramah lingkungan sehingga dapat diaplikasikan ke masyarakat yang berdomisili di daerah Danau Toba.
Universitas Sumatera Utara
1.3.
Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah:
1. Mendesainkan suatu alur proses produksi etanol yang aman, ekonomis, sederhana dan ramah lingkungan dari eceng gondok, 2. Mengevaluasi keberhasilan penerapan metode fermentasi non-steril, ekstraksi in-situ dan sistem daur ulang dalam proses fermentasi, 3. Mengidentifikasi kendala dan faktor yang mempengaruhi proses produksi bioetanol akibat modifikasi tersebut, dan 4. Mencoba memecahkan masalah-masalah terkait kendala-kendala tersebut. 1.4.
Manfaat Penelitian Secara umum, penelitian ini akan memberikan informasi mengenai produksi
bioetanol dari eceng gondok, terutama dari sisi modifikasi prosesnya. Jika penelitian berhasil, maka hasilnya akan membantu mengatasi salah satu masalah utama lingkungan di Danau Toba, dan meningkatkan perekonomian daerah tersebut. 1.5.
Lingkup Penelitian Penelitian ini difokuskan pada trial integrasi metode ekstraksi in-situ secara
simultan ke fermentasi hidrolisat eceng gondok non-steril dan analisis variable terkait seperti perbandingan pelarut dan kaldu, pengujian teknik-teknik daur ulang dalam sistem daur ulang, pengumpulan data-data reologi proses dan peninjauan metode praperlakuan yang aman, ekonomis, sederhana, dan ramah lingkungan.
Universitas Sumatera Utara
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Mikrobiologi Farmasi, Fakultas Farmasi, Universitas Sumatera Utara, Medan. Bahan-bahan utama yang digunakan antara lain eceng gondok, ekstrak enzim selulase kasar, magnesium sulfat hepta hidrat, asam sulfat, natrium hidroksida dan biodiesel sawit. Organisme yang digunakan dalam penelitian ini adalah ragi Saccharomyces cerevisiae, ragi Candida utilis, jamur Trichoderma reesei, jamur Aspergillus niger, dan jamur akar putih / Ganoderma boninense. Peralatan utama dalam penelitian ini adalah autoklaf, inkubator, sentrifugator, lemari aseptik, oven, freezer, spektrofotometer, GC, pHmeter, viskometer Oswald, piknometer, refluks kondensor, vial, dan cuvet. Variabel yang diuji dalam penelitian ini meliputi: 1. Metode praperlakuan (pretreatment): a. Tanpa praperlakuan (sterilisasi), b. Dilute Acid Pretreatment (DAP), c. Liquid Hot Water (LHW), dan d. Praperlakuan biologis dengan jamur akar putih. 2. Konsentrasi magnesium sulfat (mM) : 0, 25, 50, 75, dan 100 3. Lama fermentasi : 1, 2, dan 4 hari 4. Mikroorganisme fermentasi: Saccharomyces cerevisiae, dan Candida utilis 5. Perbandingan pelarut terhadap kaldu: 0; 0,4; 0,5; 0,66; 1 6. Persentase daur ulang: 0%, 20%, 40%, 60% (maksimum)
Universitas Sumatera Utara
Variabel diuji dengan memvariasikan hanya 1 jenis variabel pada satu kondisi tetap. Kondisi tetap yang digunakan adalah kondisi dengan variabel yang ditetapkan di awal apabila kondisi terbaik belum diketahui atau kondisi terbaik bila sudah diketahui, yaitu konsentrasi magnesium sulfat 0 mM, fermentasi 1 hari, monokultur Saccharomyces cerevisiae, volum pelarut 0 ml, dan persentase daur ulang 0%. Parameter yang diukur adalah kadar hemiselulosa, kadar selulosa, kadar lignin, aktivitas enzim, kadar gula tereduksi, kadar etanol, kadar air, pH, densitas, dan viskositas. Kadar hemiselulosa, selulosa, dan lignin dianalisis dengan metode Chesson,
aktivitas enzim dianalisis dengan assay CMC, kadar gula tereduksi
dianalisis dengan metode DNS, kadar etanol diukur menggunakan GC dengan metode static head space, kadar air diukur secara gravimetri, pH diukur menggunakan pHmeter, densitas diukur menggunakan piknometer, dan viskositas diukur menggunakan viskometer. Sampel yang tidak dianalisis langsung disimpan dalam freezer.
Universitas Sumatera Utara
