BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 PENGENALAN CEMPEDAK DAN BIJI CEMPEDAK SECARA UMUM 2.1.1 Klasifikasi Tanaman Cempedak Cempedak yang nama ilmiahnya Artocarpus integer, di Indonesia dikenal juga dengan nama tiwadak (KalSel), Sibodak (Sumut), nangka komedak (Madura), dan tamberak (Irian). Cempedak ini berperawakan pohon setinggi 2025 m, daunnya bergaris tengah 40-50 cm. Pohonnya mirip nangka, namun lebih langsing. Daunnya berbulu banyak dan lebih panjang bila dibandingkan dengan daun nangka. Bunganya tersusun dalam tandan. Buahnya bundar memanjang dengan kulit buah tidak sekasar kulit buah. Ukuran buah panjangnya 20 -45 cm, diameter 10-20 cm, dan beratnya rata-rata 3-4 kg. Aroma buahnya sangat khas dan menusuk seperti bau campuran antara buah [12] durian dan kemang. Buah cempedak merupakan komoditas perkebunan yang memiliki prospek cerah dimasa yang akan datang, karena disamping dapat dimanfaatkan sebagai bahan pangan, juga dapat diproyeksikan sebahan bahan industri [17]. Cempedak adalah buah multimanfaat Daging buah melekat dan kulit batangnya sebagai antitumor dan antimalaria, pada biji, tipis, lembek, berserat, berwarna kuning dan rasanya manis seperti pada gambar 2.1:

Gambar 2.1 Batang, Daun, Dan Buah Cempedak [12]

i

Universitas Sumatera Utara

Cempedak banyak ditemukan di daerah Sumatera, Kalimantan, Sulawesi, dan Irian Jaya. Setiap tahunnya rata-rata curah hujan yang dibutuhkan 25003000 mm dan tumbuh baik pada ketinggian 0-700 m di atas permukaan laut. Buah cempedak yang masak berbau harum menyengat, rasanya manis, daging buah kuning keputih-putihan dan dapat dimakan langsung sebagai buah segar seperti pada Gambar 2.2:

Gambar 2.2 Buah Cempedak [12] Namun karena buahnya lembek dan lekat, biasanya dimakan setelah digoreng dengan tepung. Biji buah cempedak lunak sehingga setelah direbus atau dibakar, dapat dimakan sebagai makanan teman minum kopi. Dami (bagian antara kulit dan buah cempedak) dapat dimanfaatkan setelah direndam air garam selama satu hari satu malam, lalu ditiriskan hingga kering dan digoreng. Dami ini sedap dimakan sebagai lauk makan nasi, pada umumnya hasil buah cempedak di Indonesia mencapai 60 sampai 400 buah per pohon per tahun. Buah cempedak ini dapat dikonsumsi langsung dalam keadaan segar dan bijinya hanya dibuang begitu saja. Kulit buah, daging buah, dan biji buah cempeda. Menurut Alamendah 2014 [7] kedudukan taksonomi tanaman cempedak adalah sebagai berikut: a. Kingdom : Plantae b. Subkingdom : Tracheobionta c. Superdivisi : Spermatophyta d. Divisi : Magnoliophyta

i


e. Kelas : Magnoliopsida f. Ordo : Morales g. Family : Moraceae h. Genus : Artocarpus i. Spesies : Artocarpus integer (Tunb.) Merr.

2.1.2

Biji Cempedak Pemanfaatan utama cempedak adalah buahnya yang dikonsumsi baik secara

langsung (dalam keadaan segar) ataupun dijadikan makanan olahan. Buah yang masak dapat diolah menjadi cempedak goreng, layaknya pisang goreng (bagian dami), dibuat selai, ataupun sebagai campuran kolak. Sedangkan buah yang muda dapat dimasak sebagai sayur dari hasil olahan tersebut akan menyebabkan limbah biji cempedak yang dibuang begitu saja meskipun di beberapa daerah biji cempedak dapat dimasak dan dikonsumsi. Biji cempedak yang umumnya berbentuk bulat sedikit lonjong yang dilapisi oleh kulit ari. Biji buah cempedak mengandung gizi yang lebih tinggi dibandingkan biji buah nangka dan gandum. Berikut tabel perbedaan komponen gizi biji buah cempedak dengan nangka per 100 gram: Tabel 2.1 Gizi Biji Buah Cempedak Dengan Gandum Per 100 gram [12] KomponenGizi

Biji Cempedak

Gandum

Energi (kkal)

165

-

Protein (g)

4.2

10,3

Lemak (g)

0,1

1,54

Karbohidrat (g)

36,7

8,03

Kalsium (mg)

33

36

Fosfor (mg)

200

-

Besi (mg)

1

3,1

Air (g)

57,7

9,5

Dari tabel di atas kita dapat menyimpulkan bahwa biji cempedak merupakan sumber karbohidrat (36,7 g/100 g), yang jumlahnya tiga kali lipat jumlah biji gandum. Protein biji cempedak (4,2 g/100 g) hampir melebihi setengah dari kandungan gandum, dengan energi (165 kkal/100 g), dan ketersediaannya yang

i


melimpah maka biji cempedak berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai bioethanol pengganti bahan bakar minyak (BBM) [12].

2.2

BIOETANOL Bioetanol merupakan etanol yang diproduksi dari sumber bahan baku

biologis, dimana memiliki keunggulan mampu menurunkan emisi gas CO 2 hingga 18% [8]. Generasi pertama bioetanol dibuat dari sumber hasil perkebunan seperti jagung, ketela, dan kentang dengan melakukan pretreatment, hidrolisis dan kemudian fermentasi untuk mendapatkan etanol [18]. Menurut Richana [9] Bioetanol adalah etanol yang diperoleh dari biomassa tumbuhan yang banyak mengandung karbohidrat. Etanol diperoleh dengan proses fermentasi melalui bantuan mikroorganisme yakni ragi. Penamaan bio adalah untuk membedakannya dari etanol yang diproses dari minyak bumi (minyak fosil) melalui proses hidrasi etilena dengan katalis asam. Bioetanol dapat digunakan: a.

Sebagai bahan bakar kendaraan.

b.

Sebagai bahan minuman alkohol.

c.

Sebagai bahan bakar roket.

d.

Sebagai bahan kimia dasar senyawa organik.

e.

Sebagai antiseptik.

f.

Sebagai antidote beberapa racun.

g.

Sebagai pelarut untuk parfum, cat dan larutan obat.

h.

Digunakan untuk pengobatan untuk mengobati depresi dan obat bius.

Pengembangan energi alternatif sumber energi yang terbarukan dan keduanya ramah lingkungan. Bioetanol diproduksi dari biomassa terbarukan seperti pati , gula atau lingocellulosic bahan , diyakini menjadi salah satu alternatif tersebut . Hal ini diharapkan menjadi salah satu mendominasi terbarukan biofuel di sektor transportasi dalam dua puluh tahun yang akan datang, dianggap sebagai salah satu konsumen energi terbesar dan serta mengurangi pencemar lingkungan [23]. Bioetanol dapat dibuat dari bahan yang mengandung gula sederhana. Pati, maupun bahan berserat melalui proses fermentasi. Masing-masing bahan berbeda cara

i


pengolahannya untuk bisa dijadikan bioetanol, pengklasifikasian berdasarkan bahan baku yang digunakan, proses, dan pemanfaatannya:

1. Klasifikasi berdasarkan bahan baku serta prosesnya [9] a. Etanol nabati: Secara mikrobiologis menggunakan bahan baku berpati (jagung, ubi kayu dan umbi-umbian lain),serta bahan yang mengandung, gula (molasses, tebu, sweet sorghum, aren, dan jenis palem lainnya) dan bahan berserat (onggok, jerami, dan sekam, tongkol jagung, ampas tebu, dan kulit kakao). b. Etanol sintesis: Secara sintesis menggunakan bahan baku antara lain minyak mentah, gas. Saat ini produksi etanol sintesis kurang dari 5% dari total produksi. 2. Klasifikasi berdasarkan kandungan air a. Etanol 95-96% (alkohol prima super, prima I, dan alcohol prima II) disebut “etanol hidrat” yang dibagi dalam: 

Technical/raw spit grade, digunakan untuk bahan bakar spirtus, minuman, desinfektan dan pelarut



Industrial grade, digunakan untuk bahan baku industri pelarut



Potable grade, untuk minuman berkualitas tinggi.

b. Etanol 99,5% (anhydrous etanol) dengan kandungan air 0,05%, digunakan untuk bahan bakar. Jika dimurnikan lebih lanjut dapat digunakan untuk keperluan farmasi dan pelarut di laboratorium analisis. Etanol ini disebut fuel grade thanol (FGE) atau anhydrous ethanol (etanol anhidrat) atau etanol kering, yakni etanol yang bebas air atau hanya mengandung air minimal. 3. Klasifikasi menurut pemanfaatannya a. Untuk industry (industrial grade), sebagai pelarut pada pembuatan vernis, minyak wangi, iodium tincture dan spirtus ; di laboratorium digunakan sebagai pelarut senyawa bersifat polar; di bidang kedokteran sebagai bahan baku pembuatan chloroform. b. Untuk minuman beralkohol (portable grade). c. Untuk bahan bakar (fuel grade etanol)

i


Ciri khas bioetanol adalah berbentuk cairan yang tidak berwarna dengan bau khas, dapat melarutkan zat organik, mudah menguap, titik didih 78 0C, berat molekul 46,07 gram, panas penguapan 204 kal/gr. Adapun sifat fisika etanol terdiri dari: Tabel 2.2 Sifat Fisika dari Etanol [9] No.

Sifat Fisik Etanol

1.

Rumus Molekul

CH3CH2OH

2.

Massa Molekul Relatif

46,07 gr/mol

3.

Titik didih normal

78,32 0C

4.

Titik Beku

-114,1 0C

5.

Densitas pada 20 0C

0,7893 0C

6.

Kelarutan dalam air 20 0C

Sangat larut

7.

Viskositas pada 20 0C

1,17 Cp

8.

Kalor spesifik 20 0C

0,579 kal/g 0C

9.

Kalor Pembakaran 25 0C

7092,1 kal/g

10.

Indeks bias

1,36

Bioetanol yang baik atau tidak harus melalui pengujian laboratorium karena bioetanol memiliki standar mutu, yaitu memiliki sifat

menguap, dan relatif

berbentuk cair karena bietanol memiliki titik didih 78 0C, viskositas 1,17 Cp, melting point -1120C. Standar mutu bioetanol: Tabel 2.3 Standar Mutu Etanol [9] Spesifikasi

Satuan

Jumlah

Berat Molekul

Gr/mol

46,07

Density

Gr/mol

0,7894

Indeks Bias

-

1,3614

Melting Point

0C

-112

Titik Didih

0C

78,4

Titik Nyala

0C

17

Viscositas

Cp

i


1,17 Etanol menurut tipenya terbagi dua, yaitu etanol sintesis yang berasal dari minyak bumi, dan bioetanol yang berasal dari biomassa (tanaman). Etanol sintesis (C2H5OH) sering disebut metanol atau etil alkohol, terbuat dari etilen, salah satu derivate minyak bumi atau batu bara. Bahan ini diperoleh dari proses sintesa kimia yang disebut hidrasi, sedangkan bioetanol direkayasa dari biomassa (tanaman) melalui proses biologi (fermentasi) bahan baku yang digunakan bisa dari bahan berpati, gula, selulosa, termasuk biomassa berselulosa yang merupakan sumber daya alam yang melimpah dan murah serta memiliki potensi untuk produksi komersial industri etanol atau butanol [10] Bioetanol memiliki cairan bewarna jenih, berbau khas alkohol, berfasa cair pada temperatur kamar, mudah terbakar, melalui proses sintesa kimia. Bahan baku bioetanol sebagai berikut [11] : a.

Bahan berpati, berupa singkong atau ubi kayu, ubi jalar, tepung sagu, biji jagung dan biji durian.

b.

Bahan bergula, berupa molasses (tetesan tebu), nira tebu, nira kelapa, nira batang sorgum manis.

c.

Bahan berselulosa, berupa limbah logging, limbah pertanian seperti jerami padi, ampas tebu, tongkol jagung, onggok, batang pisang, serbuk gergaji.

2.3 RAGI Saccharomyces cerevisiae merupakan khamir sejati tergolong eukariot yang secara morfologi hanya membentuk blastopora berbentuk bulat lonjong, silendris, oval atau bulat telur yang diri melalui pertunasan. Dalam fermentasi ini digunakan khamir Saccharomyces cerevisiae untuk menghasilkan glukosa. Pada penelitian ini, mikroba yang digunakan adalah ragi Saccharomyces cervisiae. Mikroba ini mampu mengkonversi selulosa dan hemiselulosa berantai karbon 5 menjadi bioetanol. Glukosa dapat dibuat dari pati-patian, proses pembuatannya dapat dibedakan berdasarkan zat pembantu yang dipergunakan, yaitu Hydrolisa asam dan Hydrolisa enzyme [13]. Berdasarkan kedua jenis hydrolisa tersebut, saat ini hydrolisa enzyme lebih banyak dikembangkan, sedangkan hydrolisa asam (misalnya dengan asam sulfat) kurang dapat berkembang, sehingga proses pembuatan glukosa dari patipatian sekarang ini dilakukan dengan hydrolisa enzyme.

i


Dalam proses konversi karbohidrat menjadi gula (glukosa) larut air dilakukan dengan penambahan air dan enzyme; kemudian dilakukan proses peragian atau fermentasi gula menjadi ethanol dengan menambahkan yeast atau ragi. Reaksi yang terjadi pada proses produksi ethanol/bio-ethanol secara sederhana ditujukkan pada reaksi. Saccharomyces cervisiae

(C6H12O6)n Gula

2C2H5OH + 2CO2 Etanol

Secara umum, khamir (ragi) dapat tumbuh dan memfermentasi gula menjadi etanol secara efisien pada pH 4,0-4,5 dan suhu 280C-350C. adapun aspek-aspek fermentasi yaitu :

a.

Jalur Metabolisme Khamir Pada kondisi anaerobik, glukosa diubah menjadi etanol dan CO 2 melalui

glikolisis C6H12O6

2C2H5OH + 2CO2 + ATP

Dari satu gram glukosa dapat dihasilkan 0,511 gram etanol secara teoritis, namun pada kenyataannya hanya dihasilkan 0,484 gram etanol. Melalui kondisi aerobik gula secara penuh dikonversi menjadi CO 2 , sel dan hasil samping lain tanpa etanol [13].

b. Pengaruh etanol Etanol merupakan racun bagi khamir. Untuk kebanyakan galur, produksi etanol dan pertumbuhan etanol terhenti pada konsentrasi etanol 110-180 g/l.

c. Pengaruh O2 Gas O2 merupakan bahan yang penting untuk pertumbuhan sel tapi tidak untuk produksi etanol. Oleh karena itu gas oksigen hanya diperlukan saat pembibitan (seeding) dan awal proses fermentasi. Setelah 6 jam maka proses dilakukan secara anaerob untuk menghasilkan etanol.

i


d. Pengaruh pH Laju fermentasi mikroba sangat sensitif terhadap perubahan pH. Nilai pH yang optimum di dalam proses fermentasi etanol adalah 4,0 sampai 4,5.

e. Pengaruh suhu Khamir akan tumbuh pada suhu 30 0C sampai 350C. Adapun proses fermentasi yang optimum terjadi pada suhu tinggi yaitu antara 30 0C sampai 380C. Selama proses fermentasi, sehingga terjadi kenaikan suhu. Kenaikan suhu selama fermentasi tersebut akan menurunkan ketahanan khamir terhadap alkohol yang dihasilkan, sehingga mempercepat pembentukan asam asetat yang bersifat racun. Suhu yang terlalu tinggi akan menyebabkan rendahnya etanol yang diperoleh, yang berhubungan dengan kinerja khamir. Sebaliknya, suhu yang terlalu rendah akan menyebabkan proses fermentasi berjalan lambat dan tidak ekonomis. Oleh karena itu suhu harus dipertahankan pada titik optimum sehingga aktivitas metabolik sel dan pertumbuhan berjalan secara optimum. Untuk mempertahankan suhu selama proses, biasanya fermentor dipasang pendingin internal yang berupa koil pendingin atau pendingin eksternal.

f. Pengaruh penambahan nutrient Pertumbuhan sel dan produksi etanol serta tingginya yield dapat dicapai dengan penambahan NH4Cl, MgSO4, CaCl2, dan ekstrak khamir. Ion amonium menyediakan nitrogen untuk sintesa protein dan asam nukleat. Ekstrak khamir mempunyai bahan pertumbuhan khamir berupa asam amino, purin, pirimidin, vitamin serta mineral berupa fosfor, potassium, magnesium dan kalsium, bekerja sama dalam sel untuk perbanyakan dan pengaktifan enzim [9].

jenis ragi yang umum dikenal, yaitu: 1.Ragi

tapai

yang

berbentuk

padatan

bulat

pipih

berwarna

putih.

2. Ragi roti berbentuk butiran. 3. Ragi tempe berbentuk bubuk.

i


Ragi roti dan ragi tapai mengandung khamir yang sama yaitu saccharomices cerevisiae. Bedanya ragi tapai dibuat dengan penambahan bumbu-bumbu dan mikroorganisme lain, sehingga tidak hanya khamir tetapi ada juga beberapa jenis bakteri lain. Ragi tape yang digunakan sebagai inokulum.Adapun isolat-isolat yang diperoleh dari ragi tersebut terdiri atas 4 macam isolat mikroba, yaitu dua isolat kapang dari genus Rhizopus dan dua isolat khamir yaitu satu dari genus Saccharomyces dan satu dari genus Schizosaccharomyces.Sesuai dengan kandungan

mikroba

yang terdapat

pada

ragi tersebut,

maka

peranan

mikroorganisme dalam proses fermentasi dibagi menjadi dua berdasarkan tahap fermentasi, yaitu: 1. Selama proses fermentasi kapang akan mengubah pati menjadi gula sederhana. Kapang menghasilkan enzim-enzim α-amilase, β-amilase dan glukoamilase, 2.

Setelah terbentuk gula maka khamir akan mengubah

gula menjadi alkohol, karbondioaksida dan senyawa lain. Khamir ini akan menghasilkan enzim invertase, zimase, karboksilase, maltase, melibiose, heksokinase, L-laktase, dehidrogenase, glukose-6-fosfat dehidrogenase dan alkohol dehidrogenase.

Pada roti, Ragi ini akan bekerja bila ditambahkan dengan gula dan kondisi suhu yang hangat. Kandungan karbondioksida yang dihasilkan akan membuat suatu adonan

menjadi

mengembang

dan

terbentuk

pori

-

pori.

Ragi untuk tempe berbeda dengan dari untuk roti dan untuk tapai. Ragi yang digunakan disini merupakan jenis kapang atau jamur yang bias membentuk benangbenang halus [22]. Ada 2 jenis ragi yang ada dipasaran yaitu: 1. Ragi kering

Jenis ragi kering ini ada yang berbentuk butiran kecil - kecil dan ada juga yang berupa bubuk halus. Jenis ragi yang butirannya halus dan berwarna kecokelatan ini umumnya digunakan dalam pembuatan roti. Lain halnya dengan ragi kering jauh lebih praktis dalam penggunaannya. Aroma yang dihasilkannya pun tidak terlalu cocok karena memang khusus untuk pembuatan

i


roti. Dalam penggunaannya, hampir semua orang lebih suka menggunakannya karena tinggal dicampur dengan adonan. 2. Ragi Padat Sedangkan ragi padat yang bentuknya bulat pipih, sering digunakan dalam pembuatan tapai sehingga banyak orang menyebutnya dengan ragi tapai. Ragi ini dibuat dari tepung beras, bawang putih dan kayu manis yang diaduk hingga halus, lalu disimpan dalam tempat yang gelap selama beberapa hari hingga terjadi proses fermentasi. Ragi padat, selain dimanfaatkan untuk fermentasi pembuatan tapai terkadang juga untuk mengempukan ikan atau membuat pindang bandeng [22].

Selama proses fermentasi dan destilasi terdapat sejumlah produk samping. Proses bioetanol untuk bahan ubi kayu mempunyai hasil samping dan limbah yang lebih sederhana disbanding yang berbahan baku molasses. Hasil samping yang dihasilkan diantaranya ialah: Karbon dioksida (CO 2), Stillage. Adapun pertumbuhan populasi mikroba yaitu, pertumbuhan dapat diamati dari meningkatnya jumlah sel atau massa sel (berat kering sel) dimana pada umumnya bakteri dapat memperbanyak diri dengan pembelahan biner yaitu dari satu sel membelah menjadi 2 sel baru, maka pertumbuhan dapat diukur dari bertambahnya jumlah sel. Waktu yang diperlukan untuk membelah diri dari satu sel menjadi dua sel sempurna disebut waktu generasi dan waktu yang diperlukan oleh sejumlah sel atau massa sel menjadi dua kali jumlah/massa sel semula disebut doubling time atau waktu penggandaan dimana kecepatan pertumbuhan merupakan perubahan jumlah atau massa sel per unit waktu, seperti Gambar 2.3:

Gambar 2.3 Kurva Pertumbuhan Mikroba [26]

i


Ada 4 fase kurva pertumbuhan mikroorganisme, yaitu: 1. Fase lag/ Adaptasi Jika mikroba dipindahkan kedalam suatu medium, mula-mula akan mengalami fase adaptasi untuk menyesuaikan dengan kondisi lingkungan di sekitarnya, lamanya fase adaptasi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya: a. Medium dan lingkungan pertumbuhan. Jika medium dan lingkungan pertumbuhan sama seperti medium dan lingkungan sebelumnya, mungkin tidak diperlukan waktu adaptasi, tetapi jika nutrien yang tersedia dan kondisi lingkungan yang baru berbeda dengan sebelumnya, diperlukan waktu penyusaian untuk mensintesa enzim-enzim. b. Jumlah Inokolum. Jumlah awal sel yang semakin tinggi akan mempercepat fase adaptasi, fase adaptasi mungkin berjalan lambat karena beberapa sebab yaitu kultur dipindahkan dari medium yang kaya nutrien ke medium yang kandungan nutriennya.

2. Fase log/ Pertumbuhan eksponensial Pada fase ini mikroba membelah dengan cepat dan konstant mengikuti kurva logaritmik dan pada fase ini kecepatan pertumbuhan sangan dipengaruhi oleh medium tempat tumbuhnya seperti pH dan kandungan nutrient, juga kondisi lingkungan termasuk suhu dan kelembapan udara. Fase ini kultur paling sensitif terhadap lingkungan, diakhir fasa log kecepatan pertumbuhan populasi menurun dikarenakan nutrien didalam medium sudah berkurang.

3. Fase Stationer Pada fase ini jumlah populasi sel tetap karena jumlah sel yang tumbuh sama dengan jumlah sel yang mati dan ukuran sel pada fase ini menjadi lebih kecil karena sel tetap membelah meskipun zat-zat nutrisi sudah habis. Karena kekurangan zat nutrisi, sel kemungkinan mempunyai komposisi yang berbeda dengan sel tumbuh pada fase logaritmik, pada fase ini sel-sel lebih tahan

i


terhadap keadaan ekstrim seperti panas, dingin, radiasi, dan bahan-bahan kimia.

4. Fase death/ Kematian Pada fase ini sebagian populasi mikroba mulai mengalami kematian karena beberapa sebab, yaitu nutrien didalam medium sudah habis dan kecepatan kematian bergantung pada kondisi nutrien, lingkungan, dan jenis mikroba.

2.4

Proses Pembuatan Bioetanol Secara umum, keseluruhan proses pembuatan bioetanol meliputi tiga

tahapan, yaitu persiapan bahan baku, fermentasi dan pemurnian. Setiap tahapan mempengaruhi keberhasilan tahapan berikutnya. Dan untuk setiap bahan baku berbeda biasanya akan berbeda pada tahap persiapan bahan baku dan kondisi prosesnya. Penelitian ini menggunakan rancangan variasi jumlah ragi dan lama fermentasi [19].

2.4.1

Tahap Persiapan Bahan Baku Bahan baku bioetanol bisa diperoleh dari berbagai tanaman yang

menghasilkan gula dan tepung. Pada tahap persiapan, bahan baku berupa padatan harus dikonversi terlebih dahulu menjadi larutan gula sebelum akhirnya difermentasi untuk menghasilkan etanol, sedangkan bahan yang sudah berbentuk larutan gula dapat langsung difermentasi. Bahan padatan dikenai perlakuan pengecilan ukuran dan tahap pemasakan [11] namun untuk berbahan baku berpati (amilum) dan berselulosa diperlukan tahan pendahuluan. Biji cempedak termasuk berbahan pati sehingga memerlukan perlakuan awal atau pretreatment hingga memperoleh gula sederhana. Adapun tiga proses perlakuan awal atau pretreatment yaitu secarabiologis, kimia, dan fisika/mekanis. Diagram alir proses pembuatan bioetanol secara sederhana akan dijelaskan pada gambar 2.4:

Uap

i


Enzim Amilase

Enzim Beta Glukosidase

Gambar 2.4 Diagram alir pembuatan bioetanol seara sederhana dari bahan baku gula, pati, lignoselulosa [11]

Pada penelitian ini, pengolahan awal yang dilakukan adalah pencucian, pengecilan ukuran dan hidrolisis. Hidrolisis yang dipilih adalah hidrolisis dengan metode LHW (Liquid Hot Water). Pemasakan bahan-bahan lignoselulosa dalam LHW adalah salah satu metode hydrothermal pretreatment yang diaplikasikan untu perlakuan awal lignoselulosa sejak beberapa dekade yang biasa digunakan untuk industri pulp. Air di bawah tekanan tinggi bisa melakukan penetrasi ke dalam biomassa, menghidrasi selulosa, dan membuang hemiselulosa dan sebagian dari lignin. Keuntungan paling utamanya adalah tidak ada penambahan zat kimia dan tidak memerlukan bahan-bahan yang tahan korosi untuk reactor hidrolisisnya. Tidak dibutuhkan pengecilan ukuran bahan baku yang merupakan proses yang membutuhkan energi yang besar untuk bahan baku yang berukuran besar pada skala komersial. Proses ini juga membutuhkan sangat sedikit zat kimia untuk proses netralisasi. Bahkan hampir tidak ada. Karbohidrat hemiselulosa terlarut sebagai larutan oligosakarida dan bisa dipisahkan dari fraksi selulosa yang tak larut juga lignin [11]. Tahap pemasakan bahan meliputi liquifikasi dan sakarifikasi. Pada tahap ini, tepung dikonversi menjadi gula melalui proses pemecahan menjadi gula kompleks. Pada tahap liquifikasi dilakukan penambahan air dan enzim alfa-amilase. Proses dilakukan pada suhu 80 - 90oC berakhir nya proses liquifikasi ditandai dengan parameter cairan seperti sup. Tahap sakarifikasi dilakukan pada suhu 50 - 60oC.

i


Enzim yang ditambahkan pada tahap ini adalah enzim glukoamilase. Pada tahap sakarifikasi akan terjadi pemecahan gula kompleks menjadi gula sederhana. Perlakuan sebelum proses fermentasi alkohol yaitu mengupayakan konsentrasi gulanya menjadi 15 % atau 20 %. Untuk memenuhi kebutuhan nutrisi, maka ditambahkan amonium sulfat, sedangkan untuk menurunkan pH-nya digunakan asam sulfat. Saccharomyces cerevisiae merupakan khamir yang umum digunakan dalam industri fermentasi etanol. Biasanya khamir yang digunakan sebanyak 5 % dari volume.

2.4.2 Tahap Fermentasi Kata “Fermentasi” berasal dari bahasa latin yaitu “Ferfere” yang artinya mendidih dan digunakan untuk menggambarkan penampakan menarik dari sari anggur yang terfermentasi. Istilah “mendidih” ini muncul karena selama reaksi cairan ini akan bergerak atau digerakkan oleh gelombang-gelombang dari karbondioksida yang menghasilkan buih atau mendidih [9]. Dengan kata lain,fermentasi adalah perubahan struktur kimia dari bahanbahan organik dengan memanfaatkan agen-agen biologis terutama enzim sebagai biokatalis. Produk fermentasi dapat digolongkan menjadi 4 jenis, yaitu: 1) produk biomassa 2) produk enzim 3) produk metabolit 4) produk transformasi Fermentasi adalah proses metabolisme yang menyangkut perubahan kimia bahan oganik yang disebabkan aktivitas enzim mikrootganisme [14]. Dalam bioproses, fermentasi memegang peran penting karena merupakan kunci (proses utama) bagi produksi bahan-bahan yang berbasis biologis. Bahan-bahan dihasilkam melalui fermentasi merupakan hasil-hasil metabolit sel mikroba, misalnya antibiotik, asam-asam organik, aldehid, alkohol, fussel oil, dan sebagainya [13]. Proses fermentasi dapat berlangsung secara aerob (memerlukan oksigen) dan dapat secara anaerob (tidak memerlukan oksigen) [14]. Proses fermentasi membutuhkan waktu sekitar 28 - 72 jam, tetapi biasanya 44 jam untuk menghasilkan etanol dengan

i


konsentrasi 8 – 10% dengan suhu optimum berkisar 32 – 33oC .Tahap fermentasi merupakan tahap kedua dalam proses produksi bioetanol. Pada tahap ini terjadi proses pemecahan gula-gula sederhana menjadi etanol dengan melibatkan enzim dan ragi. Fermentasi dilakukan pada kisaran suhu 27 - 32oC. pada tahap ini akan dihasilkan gas CO 2 sebagai produk sampingan dan sludge sebagai limbahnya. Gas CO2 yang dihasilkan memiliki perbandingan stoikiometri yang sama dengan etanol yang dihasilkan yaitu 1 : 1. Setelah melalui proses pemurnian, gas CO 2 dapat digunakan sebagai bahan baku gas dalam pembuatan minuman berkarbonat. Fermentasi gula menjadi etanol merupakan salah satu reaksi organik paling awal yang pernah dilakukan. Proses pembuatan bioetanol dapatt dibuat dengan cara sintesis etilen atau bisa juga dengan fermentasi. Produksi etanol dengan cara sintesis senyawa etilen (C2 H4) dibantu dengan suatu katalis asam sulfat dan pemanasan pada temperature 70 0C pada tekanan 10 atm. Etanol juga dapat di sintesis dari aldehid melalui proses reduksi. Produksi etanol dengan menggunakan bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat,dilakukan melalui proses konversi karbohidrat menjadi glukosa yang terlarut dalam air. Glukosa yang diperoleh dari tanaman yang mengandung pati. Adapun proses pembuatannya dapat dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan zat pembantu yang digunakan antara lain hidrolisa asam dan hidrolisa enzim. Dari kedua jenis hidrolisa tersebut, saat ini yang digunakan adalah hidrolisa asam yaitu dengan asam klorida (HCL). Didalam konversi karbohidrat menjadi glukosa yang terlarut dilakukan penambahan asam dan enzim setelah itu dilakukan proses fermentasi glukosa menjadi etanol dengan menambahkan yeast atau ragi. Reaksi yang terjadi pada proses produksi etanol secara sederhana dapat ditunjukkan sebagai berikut: Asam

(C6H5O6)n + nH 2O nC6H12O6 (Pati)

(Glukosa)

Tahap berikutnya adalah pemurnian etanol. Tahap ini dilakukan melalui metode destilasi. Destilasi dilakukan pada suhu diatas titik didih etanol murni, yaitu pada kisaran 78 – 100oC. Produk yang dihasilkan pada tahap ini memiliki kemurnian hingga 96 %. Akan tetapi, sebelum memasuki tahap pemurnian

i


dilakukan pemisahan etanol dengan sludge yang diperoleh dari hasil fermentasi etanol yang dihasilkan. Salah satu pemanfaatan limbah sludge yang telah berhasil dilakukan yaitu pengolahan sludge menjadi pupuk kalium majemuk dengan kadar kalium 40 %. Jika etanol yang dihasilkan akan digunakan sebagai bahan bakar maka etanol hasil destilasi ini harus dikeringkan terlebih dahulu. Pengeringan ini dapat dilakukan dengan metode purifikasi molecular sieve bertujuan untuk meningkatkan kemurnian etanol hingga memenuhi spesifikasi bahan bakar. Molecular sieve adalah suatu bahan yang memiliki pori-pori kecil dan digunakan sebagai absorben cairan dan gas. Bahan ini mampu menyerap air hingga 20 % dari berat bahan itu sendiri. Zeolit, lempung, karbon aktif dan porous glasses adalah beberapa bahan yang termasuk molecular sieve. Selain itu, pengeringan etanol dapat menggunakan metode lain yaitu metode azeotrofik destilasi. Etanol hasil pengeringan ini memiliki kemurnian hingga 99, 5 % .

2.4.2.1 Pengendalian Kondisi Fermentasi Adapun

faktor-faktor

yang

mempengaruhi

berlansungnya

proses

fermentasi diantaranya adalah sebagai berikut:

1. Pemilihan mikroorganisme dan konsentrasi ragi Khamir

yang

sangat

potensial

untuk

fermentasi

etanol

adalah

Saccharomyces cereviseae, karena daya konversinya menjadi etanol sangat tinggi, metabolismenya sudah diketahui, metabolit utama berupa etanol, karbondioksida, dan air, sedikit menghasilkan metabolit lainnya. Beberapa organisme seperti Saccharomyces dapat hidup, baik dalam kondisi lingkungan cukup oksigen maupun kurang oksigen. Organisme yang demikian disebut aerob fakultatif. Dalam keadaan cukup oksigen, Saccharomyces akan melakukan respirasi biasa. Akan tetapi, jika dalam keadaan lingkungan kurang oksigen Saccharomyces akan melakukan fermentasi [14]. Mikroba S. cerevisiae yang terdapat di dalam ragi mampu menghasilkan kadar alkohol yang tinggi karena merupakan galur yang terpilih dan biasa digunakan untuk fermentasi alkohol serta mempunyai toleransi yang tinggi

i


terhadap alkohol. Mikroba S. cerevisiae juga mampu memfermentasikan glukosa, sukrosa, manitol dan maltosa. S. cerevisiae mempunyai daya konversi gula yang sangat tinggi karena menghasilkan enzim zimase dan inter vase. Dengan adanya enzim-enzim ini Saccharomyces cerevisiae memiliki kemampuan untuk mengkonversi baik gula dari kelompok monosakarida maupun dari kelompok disakarida. Jika gula yang tersedia dalam substrat merupakan gula disakarida maka enzim invertase akan bekerja menghidrolisis disakarida menjadi monosakarida. Setelah itu, enzim zymase akan mengubah monosakarida tersebut menjadi alkohol dan CO 2 . Gula akan diubah menjadi bentuk yang paling sederhana oleh enzim invertase baru kemudian gula sederhana tersebut akan dikonversi menjadi etanol dengan adanya enzim zymase. Ragi merupakan campuran dari genus- genus, memiliki spesies seperti Aspergilus, S. cerevisiae, Candida dan Hansenula, serta Acetobacter. Jadi, tidak hanya S. cerevisiae di dalamnya. Genus tersebut hidup bersama-sama secara sinergetik

dan

bekerja

berkesinambungan.

Dimana,

Aspergilus

dapat

menyederhanakan gula; S. cerevisiae, Candida dan Hansenula dapat menguraikan gula menjadi alkohol; sedangkan Acetobacter menguraikan alkohol menjadi asam asetat [13]. Sementara itu, perolehan bioetanol juga dipengaruhi oleh jumlah ragi yang ditambahkan, yaitu dosis ragi berbanding lurus dengan kadar alkohol yang diperoleh. Semakin banyak dosis ragi yang diberikan maka kadar alkohol juga semakin tinggi. Karena tinggi rendahnya perolehan alkohol dipengaruhi oleh aktivitas khamir dengan substratnya [9].

2.

Lama fermentasi Kadar etanol yang terbentuk akan semakin tinggi sampai pada lama tertentu

(lama maksimal) dan setelah lama maksimal dilewati kadar etanol yang dihasilkan akan menurun [13]. Semakin lama fermentasi berlangsung maka jumlah mikroba yang dibutuhkan dalam proses tersebut juga akan semakin bertambah, sehingga dengan semakin meningkatnya jumlah mikroba maka semakin banyak pula karbohidrat yang terurai menjadi alkohol, sehingga alkohol yang dihasilkan juga

i


semakin banyak. Proses ini akan terhenti jika kadar alkohol sudah meningkat sampai tidak dapat ditolerir lagi oleh mikroba [9].

2.4.3

Tahap Pemurnian Pemurnian dapat dilakukan dengan distilasi. Distilasi dilakukan untuk

memisahkan etanol dari beer (sebagian besar adalah air dan etanol). Titik didih etanol murni 78 oC sedangkan air adalah 100 oC (kondisi standar). Dengan memanaskan larutan pada suhu rentang 78-100 oC akan mengakibatkan sebagian besar etanol menguap dan melalui unit kondensasi akan bisa dihasilkan etanol dengan konsentrasi 95 % volume [13]. Adapun proses lanjutan dalam pemurnian fermentasi tersebut yaitu proses Destilasi merupakan proses pemisahan dan pemurnian produk dari hasil fermentasi etanol, Proses destilasi dilakukan dengan cara mendidihkan campuran etanol dan air. Etanol mempunyai titik didih yang lebih rendah (780C) dibandingkan air (100 0C) sehingga etanol akan menguap terlebih dahulu dibandingkan air, dan selanjutnya uap etanol dikondensasi. Hasil fermentasi selanjutnya didestilasi untuk memisahkan etanol dengan larutan lainnya. Maiorella (1984) menyatakan bahwa pemurnian etanol merupakan bagian yang memerlukan banyak energy. Sekitar 50% energi total fermentasi digunakan untuk proses destilasi. Cairan hasil fermentasi mengandung sekitar 6,512% v/v etanol. Untuk mendapatkan etanol 95% v/v perlu dilakukan pemekatan pada kolom konsentrasi dalam unit destilasi. Destilasi merupakan proses pemisahan campuran antara dua atau lebih cairan berdasarkan perbedaan fase-fase antara dua cairan, yaitu volatilitas relative dan perbedaan titik didih. Destilasi dilaksanakan dalam praktek menurut salah satu dari dua metode utama. Metode pertama didasarkan atas pembuatan uap dengan mendidihkan campuran zat cair yang akan dipisahkan dengan pengembunan (kondensasi) uap tanpa ada zat cair yang kembali kedalam bejana didih. Jadi tidak ada refluks. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap lebih dahulu. Proses destilasi yang digunakan dalam memisahkan etanol dengan air adalah destilasi sederhana. Pada hasil fermentasi yang mengandung etanol 10% proses destilasi sederhana pada suhu 79-820C akan menghasilkan kadar etanol 60-70% jadi untuk menaikkan kadar etanol sampai 95% ke atas diperlukan destilasi berulang-ulang. Cairan yang

i


mengandumg etanol apabila dipanaskan akan menghasilkan uap yang mengandung etanol lebih tinggi. Destilasi merupakan suatu metode pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan kemudahaan menguap (volatilitas) bahan. Dalam penyulingan, campuran zat dididihkan sehingga menguap dan uap ini kemudian didinginkan sehingga kembali kedalam bentuk cair. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap lebih dulu. Metode ini termasuk unit operasi kimia jenis perpindahan massa. Penerapan proses ini berdasarkan pada teori bahwa pada suatu larutan, masing-masing komponen akan menguap pada titik didihnya. Bahan yang akan didestilasikan pada drum pemasakan tidak boleh penuh, melainkan harus menyediakan sedikitnya 10% ruang kosong dari kapasitas penuh drum pemasakan.

Macam-macam metode destilasi antara lain: 1) Destilasi Sederhana, prinsipnya memisahkan dua atau lebih komponen cairan berdasarkan perbedaan titik didih yang jauh berbeda. 2) Destilasi Fraksionasi (Bertingkat), sama prinsipnya dengan destilasi sederhana, hanya destilasi bertingkat ini memiliki rangkaian alat kondensor yang lebih baik, sehingga mampu memisahkan dua komponen yang memiliki perbedaan titik didih yang berdekatan. 3) Destilasi Azeotrop dilakukan untuk memisahkan campuran azeotrop (campuran dua atau lebih komponen yang sulit dipisahkan), biasanya dalam prosesnya digunakan senyawa lain yang dapat memecah ikatan azeotrop tersebut, atau dengan menggunakan tekanan tinggi. 4) Destilasi Kering dilakukan dengan memanaskan material padat untuk mendapatkan fasa uap dan cairnya. Biasanya digunakan untuk mengambil cairan bahan bakar dari kayu atau batu bata. 5) Destilasi Vakum dilakukan untuk memisahkan dua komponen yang titik didihnya sangat tinggi, metode yang digunakan adalah dengan menurunkan tekanan permukaan lebih rendah dari 1 atm, sehingga titik didihnya juga menjadi rendah.3

i


2.4.4 Parameter pengujian Untuk mengetahui pengaruh kondisi S.cerevisiae yang telah diadaptasi terhadap proses fermentasi yang menghasilkan bioetanol maka dilakukan uji-uji untuk mengetahui hasil bioetanolnya : 1. Jumlah Bioetanol (ml) Jumlah alkohol yang dihasilkan dapat diketahui dengan mengukur banyaknya bioetanol yang dihasilkan melalui proses penyulingan menggunakan alat destilasi menggunakan erlenmeyer dan gelas ukur. 2. Indeks bias Indeks bias adalah nilai yang menunjukkan kemampuan pembiasan suatu media bila dibandingkan dengan udara. Pembiasan itu sendiri terjadi akibat perubahan kecepatan cahaya ketika melewati 2 media yang berbeda. Semakin tinggi nilai indeks biasnya, akan membuat lensa kaca mata menjadi lebih tipis. Indeks bias mutlak suatu bahan adalah perbandingan kecepatan cahaya diruang hampa dengan kecepatan cahaya dibahan tersebut. 3. Berat Jenis Berat jenis adalah konstanta tetapan bahan tergantung pada suhu untuk tubuh padat, cair, dan bentuk gas yang homogen. Berat jenis didefinisikan sebagai massa suatu bahan per satuan volume bahan tersebut. Bentuk persamaannya adalah sebagai satuan dari berat jenis adalah (kg/dm3 , g/cm3 , atau g/ml. g/liter).

Dikenal beberapa alat yang dapat digunakan untuk menentukan berat jenis, yaitu areometer, piknometer. Untuk pekerjaan secara rutin dalam suatu laboratorium terdapat peralatan elektronik untuk menentukan berat jenis.Berat jenis relatif (spesifik) adalah perbandingan antara berat jenis zat pada suhu tertentu terhadap berat jenis air pada suhu tertentu pula. Berat jenis relatif tidak mempunyai satuan. Berat jenis relatif akan sama dengan berat jenis absolut bila sebagai pembanding adalah air pada suhu 40 0C. Penentuan berat jenis dengan piknometer, berat jenis suatu zat dapat

i


dihitung yaitu mengukur secara langsung berat zat dalam piknometer (dengan menimbang) dan volume zat (ditentukan dengan piknometer). Prinsip metode ini didasarkan atas penentuan massa cairan dan penentuan rungan yang ditempati cairan ini. Ruang piknometer dilakukan dengan menimbang air. Ketelitian metode piknometer akan bertambah sampai suatu optimum tertentu dengan bertambah volume piknometer. Optimun ini terletak sekitar isi ruang 30 ml. Ada dua tipe piknometer, yaitu tipe botol dengan tipe pipet. Faktor-faktor yang mempengaruhi berat jenis suatu zat adalah : 1) Temperatur Dimana pada suhu yang tinggi senyawa yang diukur berat jenisnya dapat menguap sehingga dapat mempengaruhi berat jenisnya, demikian pula halnya pada suhu yang sangat rendah dapat menyebabkan senyawa membeku sehingga sulit untuk menghitung berat jenisnya. Oleh karena itu, digunakan suhu dimana biasanya senyawa stabil, yaitu pada suhu 25 0C (suhu kamar).

2) Massa zat, Jika zat mempunyai massa yang besar maka kemungkinan berat jenisnya juga menjadi lebih besar.

3) Volume zat, Jika volume zat besar maka berat jenisnya akan berpengaruh tergantung pula dari massa zat itu sendiri, dimana ukuran partikel dari zat, berat molekulnya serta kekentalan dari suatu zat dapat mempengaruhi berat jenisnya.

4. Spesific Grafity dan API Grafity Spesific Grafity dan API Grafity adalah suatu pernyataan yang menyatakan densitas atau berat persatuan volume dari suatu bahan. Hubungan antara Spesific Grafity (sg) dan API Grafity (G), adalah sebagai berikut: [15]

i


141,5  131,5 sg 141,5 sg  G  131,5

G

(2.1)

Besarnya harga API grafity berkisar dari 0 – 100, sedangkan spesific grafity merupakan harga relatif dari densitas suatu bahan terhadap air. Hubungan antara densitas, spesific grafity.

5. Uji Kualitatif Uji etanol dapat dilakukan dengan cara kualitatif dan kuantitatif. Uji kualitatif dilakukan dengan analisa K2 Cr2O7 dan H2 SO4, analisa KMnO 4, analisa bakar.

i


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents