SEMINAR NASIONAL L TEKNIK KIIMIA SOEBA ARDJO BROTOHARDJO ONO IX Program Stu udi Teknik Kimia UPN “V Veteran” Jawaa Timur Surabayya, 21 Juni 20012
PRO ODUKSI ETANOL E DARI JE ERAMI PA ADI MELA ALUI HID DROLISA A ENZIIMATIK DAN D FER RMENTAS SI
Fransisca Thrresia, Silvia Eka Ristikasari, Gunaawan Hartanto, Arief Widjaja W *) Lab boratorium Teknologi T B Biokimia Proogram Studi Teknik T Kim mia, Fakultas Teknologi I Industri Instiitut Teknoloogi Sepuluh Nopember N S Surabaya Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Indonnesia
[email protected] email: lem *)corresponnding authorr : arief_w@ @chem-eng.itts.ac.id Abstrak Penggunaan bahan bakarr fosil menimbbulkan banyakk kerugian kaarena tidak da apat diperbaruui, karena itu penemuann sumber eneergi baru yangg dapat diperrbarui sangat dibutuhkan untuk u memenuuhi han energi dun nia yang semaakin meningkatt. Salah satu sumber s energi yang potensia al menggantika kan kebutuh bahan bakar b fosil addalah etanol. Salah S satu upaaya mencari baahan baku dallam produksi bioetanol b adalaah menggu unakan limbahh pertanian yang y dapat diikonversi menjjadi glukosa. Salah satu alternatif a limbaah pertaniaan yang mengaandung selulossa adalah jeram mi padi. Tujuan dari penelitian p ini adalah a menghaasilkan etanol dari jerami paadi melalui hiddrolisa enzimatik dan ferrmentasi. Enzzim selulase digunakan d unntuk mendegra adasi selulosaa dari jeramii padi sehingg gga mengha asilkan glukosaa. Pada prosess penelitian inii dibagi menjaadi 3 tahap, yaaitu tahap prettreatment, taha ap hidrolisa dan da tahap fermentasi. f Padda tahap pretrreatment digunnakan NaOH dengan d konsenntrasi 1%, 60°°C, 8jam. Tahap hidrolissa dilakukan pada p suhu 60°C C dengan pH 3 dengan konsentrasi enzim sselulase dari Aspergillus A nigger sebesarr 93U/5 gr jerrami padi. Aktiifitas enzim seelulase sebesarr 2,00 U/ml seedangkan xilannase sebesar 1,8 1 U/ml diiperoleh dari enzim komersiial dari Asperggillus niger. Hidrolisat H yangg dihasilkan memperoleh m yieeld gula red duksi tertinggii sebesar 0.39ggr gula/gr jeram mi padi. Fermentasi glukosa mengggunakan Sacccharomyces ceerevisiae dilakuukan dalam errlenmeyer flashk 200 ml pada pH 5.5 suhu s 30°C serrta aerasi mengggunakan inku ubator shaker ppada 100 rpm dan konsentraasi gula reeduksi sebesar 8g/L. Uji kada dar gula redukssi menggunakaan metode DN NS. Kadar selullosa jerami paadi diperoleeh sebesar 54 4.133% mengggunakan metoode Chesson. Sedangkan feermentasi untu uk menghasilkkan etanol mencapai m yieldd sebesar 0.17m mol etanol/moll gula reduksi. unci : jerami padi, p pretreatm ment, hidrolisa, fermentasi, Saaccharomyces cerevisiae, c etanol. Kata ku ENDAHULUA AN PE Penggunaan bahan bakar fosil menimbbulkan banyak k kerugian dallam pencemaaran lingkungaan. Disampping itu, bahann bakar berbasis fosil tidak ddapat diperbaruui, karena itu penemuan sum mber energi baaru yang daapat diperbaruii sangat dibutu uhkan untuk memenuhi m kebuttuhan energi dunia d yang sem makin meningkkat. Salah saatu sumber eneergi yang poten nsial mengganttikan bahan baakar fosil adalaah etanol. Salah satu upaya u mencarri bahan baku dalam produuksi bioetanol adalah menggunakan limbah pertaniaan yang dapat dikonversi meenjadi glukosaa. Salah satu allternatif limbaah pertanian yaang mengandunng selulosaa adalah jeram mi padi (Aderam mi dkk.,2008). Jerami padi merupakan m limbbah yang meng gandung 43,388% selulosaa; 24,73% hem miselulosa; 9,667% lignin (A Anwar, 2011). Jerami padi dapat dihidrollisis baik secaara kimiaw wi maupun secaara biologi unttuk menghasilkkan glukosa. Glukosa G yang ddiperoleh dari proses hidrolissis dapat difermentasi leb bih lanjut untuk k menghasilkann etanol (Martiin dkk., 2002).. Sejauh ini teelah dikenal ennzim-enzim yaang dapat menndegradasi seluulosa, diantaraanya yang palinng utama yaitu y enzim sellulase (Fengell dan Wegerneer, 1984). Enzim m selulase merrupakan enzim m yang dihasilkkan oleh miikroorganisme seperti fungi dan d bakteri. Ennzim selulase dapat d mendegraadasi selulosa menjadi m molekkul glukosaa yang lebih keecil (Nicol et all, 2006). Dari penelitiian ini diharappkan dapat dipeeroleh suatu metode m baru daalam pengadaaan sumber enerrgi terbarukkan yaitu den ngan memanfaaatkan selulossa yang jumlaahnya melimpah di alam melalui m konverrsi 1.
D.8-1
SEMINAR NASIONAL L TEKNIK KIIMIA SOEBA ARDJO BROTOHARDJO ONO IX Program Stu udi Teknik Kimia UPN “V Veteran” Jawaa Timur Surabayya, 21 Juni 20012 enzimattik menjadi moonomer glukossa oleh enzim selulase diikutti fermentasi gglukosa menjadi etanol denggan bantuan n yeast Sacchaaromyces cerevvisiae. Tujuan dari penelitian ini adalah menghaasilkan etanol dari jerami paadi melalui hiddrolisa enzimattik dan ferm mentasi mengg gunakan Sacchharomyces cereevisiae yang beermanfaat sebaagai energi alteernatif penggannti dari baahan bakar fossil. Dari peneliitian terdahuluu yang ditulis Golias menyeebutkan bahwaa suhu optimuum untuk hidrolisis h adalaah 40-50oC daan di dalam prroduksi etanol menghasilkann yield sebesarr 0.3g/g substrrat, sedangk kan menurut M. Minner dan d G. Gomm ma yield prodduksi etanol menggunakan m Saccharomycces cerevisiiae mencapai 0.35g/g 0 substraat. 2. ME ETODOLOGII 2.1 Preetreatment jerami padi Pretreattment dilakukaan secara fisikka dan kimia. Pretreatment fisika f dilakukaan dengan pem motongan jeram mi padi seepanjang ± 5 mm mengggunakan pemootong kertas kemudian k meenggiling jeram mi padi hinggga mendap patkan ukuran 100 – 120 meesh. Pretreatmeent secara kim mia dilakukan dengan d pemanaasan jerami paadi bersamaa larutan NaO OH 1% pada teemperatur 60 oC selama 8 jam dalam labbu erlenmeyer yang dilengkaapi dengan kondensor reffluks, kemudiaan dicuci dengaan air kran sam mpai netral dann terakhir dicu uci menggunakkan aquadess. Jerami dipissahkan mengguunakan penyarring kain kemuudian dikeringkkan pada 100oC selama kuranng lebih 2 jam. j oduksi enzim selulase 2.2 Pro Substraat yang digunak kan untuk prod duksi enzim yaaitu jerami paddi ukuran 100-1120 mesh sebannyak 5 gram dan d menam mbahkan larutann garam minerral sebanyak 225 ml ke dalam m erlenmeyer kkemudian mennsterilisasi meddia tersebutt ke dalam auutoklaf. Selanjjutnya menginnokulasi masinng – masing jamur Trichoderma reesei dan d Aspergiillus niger ke dalam d erlenmeeyer lalu mengginkubasikannyya selama 7 haari. Selanjutnya Menambahkkan 100 ml buffer sitrat yaang mengandu ung 0,1 % Tweeen 80 kemudiaan mengocok ddengan orbital shaker s pada 175 rpm sellama 135 menit selanjutnya mensentrifugee dengan keceppatan 10000 rppm selama 30 menit kemudiian mengam mbil cairan yan ng didalamnyaa terdapat enziim selulase. Kemudian mengghitung aktifitaas enzim denggan mengguunakan DNS. 2.3 Hid drolisis jeram mi padi Setelah h didapatkan jerami padi yaang telah diprretreatment seelanjutnya dilaakukan proses hidrolisis yaiitu dengan menimbang jerami padi tersebut sebanyyak 5 gram keemudian menaambahkan enzzim selulase daari Trichod derma reesei dan d Aspergilluss niger sesuai perbandingan p dan d konsentrassi enzim yang telah t ditentukaan. Kemud dian dipanaskann dengan suhu u 60oC dan pH 3. Selanjutnyaa menganalisa konsentrasi k gu ula reduksi dalaam hidrolissat dengan mettode DNS denggan panjang geelombang 540n nm setiap selanng waktu 3 jam sekali. osa 2.4 Ferrmentasi gluko Setelah h didapatkan hidrolisat sebanyyak 200 ml darri proses hidrollisis selanjutnyya dilakukam proses p fermentaasi dengan cara menambaahkan yeast exxtract 0,4 %, M MgSO4.7H2O 0,17 gram, (NH H4)2SO4 0,85 grram dan KH2PO O4 2,125 gram g ke dalam m hidrolisat. Selanjutnya S meensterilisasi media fermentassi tersebut ke dalam autoklaaf. Setelah h media mencaapai suhu ruang gan, melakukkan fermentasi dengan volum me media sebesar 200mL yanng sebelum mnya dilakukaan aklimatisasii Saccharomycces cerevisiae dengan volum me cairan sebeesar 20mL yanng diambill dari media. Selanjutnya menginokulasikan 20mL biakan b tersebuut ke dalam 180mL 1 substrrat. Fermen ntasi dilakukan n selama 48 jaam dan pengam mbilan sampel dilakukan sellang waktu 24 jam. Kemudiian melaku ukan pengukuraan kadar gula reduksi dan juumlah sel denngan menggunaakan metode DNS D serta kaddar etanol menggunakan m G GC. ASIL DAN PE EMBAHASAN N 3. HA 3.1 Preetreatment jerrami padi Setelah dilak kukan pretreatm ment, jerami paadi tersebut diaanalisa dengan menggunakann metode chesson m kad dar selulosa, heemiselulosa dann lignin yang dapat d digambarrkan pada tabeel sebagai berikkut untuk mengetahui Tabel I : H Hasil analisa metode Chessonn Kaadar (%) Variabeel hem miselulosa selulosa lignin Sebelum pretrreatment 31.498 47.627 15.275 1%; 60°C; 8 jam 36.228 54.133 9.4289
D.8-2
SEMINAR NASIONAL L TEKNIK KIIMIA SOEBA ARDJO BROTOHARDJO ONO IX Program Stu udi Teknik Kimia UPN “V Veteran” Jawaa Timur Surabayya, 21 Juni 20012 Dari peenelitian terdah hulu didapatkann hasil bahwa pada kondisi NaOH N 1% mennggunakan suhhu 60oC selamaa 8 jam diddapatkan konssentrasi glukossa tertinggi paada hidrolisat, sehingga pada penelitian inni menggunakkan kondisi yang sama pada pretreatmen nt. 3.2 Pro oduksi enzim selulase s Setelah mendapatkan enzim m, maka prosees selanjutnya adalah pengujjian enzim sellulase. Pengujiian enzim selulase s ini adaalah dengan carra mengukur aaktifitas enzim selulase yang dihasilkan. Sebbelum mengukkur aktifitass enzim selulase maka harus membuat kurvva standar glukkosa yang diguunakan untuk menguji m aktifittas enzim. Setelah memb buat kurva stanndar glukosa, maka m langkah selanjutnya addalah menguji keaktifan k enzim m. Mengujji keaktifan enzzim dapat dilakkukan dengan metode DNS dan d mengukur absorbansinyaa dengan panjanng gelombbang 540 nm. d untuk enziim Dari hasil pengukuran diddapatkan aktivitas enzim seelulase sebesarr 2,0 IU/mL dan xilanasee sebesar 1,8 IU/mL. I Hasil ini i diperoleh dari d enzim murnni dari Aspergiillus niger. 3.3 Hid drolisis jeramii padi S Sebelum meng ghidrolisis jeraami padi, yangg harus dilakuukan terlebih ddahulu adalah membuat kurrva standaar glukosa unttuk menganalisa konsentrasii glukosa dari hasil hidrolisiis. Jerami yang g dipakai adallah jeram mi padi hasil prretreatment deengan NaOH 11% selama 8 jam. j Perlunya dilakukan preetreatment untuuk menddegradasi ligninn sehingga meempermudah ddalam melakuk kan degradasi jerami padi secara s enzimattik untukk mencapai sellulosa. Hidrollisis dilakukan pada kondisi pH 3 dan suhhu 60°C. Setellah mendapatkkan konseentrasi gula redduksi pada selaang waktu 3 jam m sekali, kemu udian dibuat graafik hidrolisis sebagai berikuut
Gambar 1 : Konsentrasi gu ula reduksi oleh berbagai jeniis enzim pada hhidrolisis jeram mi padi d atas memperlihatkan gulla reduksi yan ng dihasilkan pada hidrolissis menggunakkan Berdasaarkan grafik di campurran crude enzzim dan enzzim komersiall. Hasil yan ng baik untukk hidrolisis pada jerami padi mengguunakan enzim selulase kom mersial dari Asspergillus nigeer yang menccapai 13,02g/L L selama 42 jam diperoleeh yield sebesar 0,39gr gulaa/gr jerami paddi. Dari hasil analisa, a gula reeduksi yang dihhasilkan semakkin lama seemakin meninggkat dengan koondisi yang stabbil. Hal ini meenunjukkan bahhwa campuran enzim komerssial dari Asspergillus nigeer memiliki komposisi k endooglukanase, ekksoglukanase dan β-glukosiidase yang lebbih seimbanng untuk menddegradasi selulo osa dalam jerami padi, dibanndingkan dengaan crude enzim m. 3.4 Ferrmentasi gluko osa Seetelah melakukkan hidrolisis, maka m selanjutnnya adalah mellakukan fermenntasi hidrolisatt yang diperoleeh. Hidrolisat yang digun nakan untuk proses p fermenttasi adalah hiidrolisat dari jjerami padi haasil pretreatmeent N 1% padaa suhu 60oC seelama 8 jam deengan kondisi hidrolisis padaa suhu 60oC dan d dengan konsentrasi NaOH Dari pengukuraan gula redukksi, pH 3. Kondisi fermeentasi yang diipakai adalah pH 5,5 dan suhu 30°C. D didapattkan konsentrasi gula reduksi awal sebesarr 8gr/L dan haasil fermentasi menggunakann Saccharomycces cerevisiiae didapatkann hasil yield d etanol sebessar 0,17mol etanol/mol guula reduksi. Pada P gambar 2 menunjukkan adanyaa penurunan gu ula reduksi yanng seiring den ngan penambahhan konsentrassi etanol. Hal ini i k adanyaa konsumsi gulla oleh mikrooorganisme yang menyebabkaan penurunan gula g reduksi dan d terjadi karena terbentu uknya etanol. Sedangkan paada gambar 3 menunjukkan adanya penurrunan konsentrrasi gula redukksi yang diisertai dengan penambahan p ju umlah sel.
D.8-3
SEMINAR NASIONAL L TEKNIK KIIMIA SOEBA ARDJO BROTOHARDJO ONO IX Program Stu udi Teknik Kimia UPN “V Veteran” Jawaa Timur Surabayya, 21 Juni 20012
Gam mbar 2 : Konseentrasi etanol dan d gula redukssi hasil fermenntasi menggunaakan Sacchharomyces cereevisiae
4.
Gambbar 3 : Konsenttrasi gula redukksi dan jumlahh sel hasil fermeentasi mengguunakan Sacchharomyces cereevisiae KE ESIMPULAN 1. Suhu optimaal pretreatmentt yang didapatkkan adalah 60°C 2. Konsentrasi optimal NaOH H yang didapatkkan adalah 1% 3. Waktu optim mal pretreatmennt adalah 8 jam m 4. Aktifitas enzzim selulase daari Aspergillus niger sebesar 2,0 2 U/ml 5. Enzim selulaase komersial A. A niger yang dihasilkan pad da percobaan ini i lebih efektiif mendegradaasi jerami padi menjadi m glukossa dibandingkaan dengan crudde enzim. 6. Kondisi optim mal untuk hidrrolisa adalah paada suhu 60 oC dan pH 3. 7. Yield etanol hasil fermentaasi sebesar 0,177 mol etanol/m mol gula reduksi. DA AFTAR PUST TAKA 1. Aderemi, B. O, Abu E, Higghina B. K, (20008), “ The kinnetics of glucosse production from f rice straw w by Aspergillus A nigger” African Joournal of Bioteechnology, 7, 1745-1752. 1 2. Balat, M, Baalat Havva, Oz Cahide, (20088), “ Progress in n bioethanol prrocessing”, 34,, 551 – 573. 3. Committee on o Science, Enggineering, and Public Policy,, (1991), “Policcy Implicationss of Greeenhouse warm ming”, Nationall Academy of Sciences, National Academyy of Engineerinng, Insttituteof Mediciine, National Academy A press,, Washington D DC. 4. Delgenes J.P P., Moletta R, Navarro N J.M., (1996), ( “ Effecct of lignosellullosic degradatiion product on ethanol e fermen ntation of glucose and xylosee by Saccharomyces cereviceeae, Zymomonnas mobbilis, Pichia sttipitis and Canndida shehataee “, Enzyme M Microbial Tech hnology 19: 2220225. 5. Fengel, D dan d Wegerner, G. (1984), ““Kayu: Kimia, Ultrastruktur,, Reaksi-reakssi”, Gajah Maada Uniiversity Press, Yogyakarta, Y haal. 30-34, 155-176. 6. Gaw wande, P.V dan d Kamat, M.Y., M (1999), “Production of Aspergillu us Xylanase by b Lign nocellulosic Waste W Fermentaation and its Application”, A J.. of Applied Microbiology, M 8 87, 511 – 519. 7. Jeffries, W, Grigoriev, V, V Laplaza, M M, (2007), “Genome sequuence of the lignocelluloseesbiocconverting andd Xylose-Fermeenting Yeast Pichia P stipitis”, 25, 319-326.
D.8-4
SEMINAR NASIONAL L TEKNIK KIIMIA SOEBA ARDJO BROTOHARDJO ONO IX Program Stu udi Teknik Kimia UPN “V Veteran” Jawaa Timur Surabayya, 21 Juni 20012 8. 9. 10.. 11..
12. 13..
Martin C, Galbe G M, Wahllbom F.C, (20002), “Ethanol production froom enzymatic hydrolysates of sugaarcane bagassee using recombbinant xylose-uutilising Sacchharomyces cereevisiae”, 31, 274 – 2882. Miller, G.L.,, (1959), “Use of Dinitrosaliccylic Acid Reaagent for Deterrmination of Reducing R Sugarr”, Anaalytical Chemisstry, 31, 426-428. Nakamura, Y. dan Sawaada, T., (19997), “Lignin Peroxidase Production P by Phanerochaeete chryysosporium Im mmobilized onn Polyurethanne Foam”, Jouurnal Chemichhal Engineerinng Japaan., 30, 1- 6. Nigam, J.N.,, (2001), “ Eth hanol productioon from wheatt straw hemiceelluloses hydroolysate by Pichhia stipitis”, Journal of o Technology 87: 17-27. Subramaniyaan, S. dan Preema, P., (2002), “Biotechnollogy of Microbbial Xylanasess: Enzymologyy”, Mollecular biologyy, Sunggyu, L., Speight, J.G.,, dan Loyalka, S.K., (2007). Taniguchi, M., M Tohma, T.,, Itaya, T. and Fujii, M., (19 997), ”Ethanol Production froom a Mixture of Gluucose and Xyloose by Co-Cultuure of Pichia stipitis s and a R Respiratory-Defficient Mutant of Saccharomyces ceerevisiae”, Jourrnal of Fermenntation and Biooengineering, 83, 8 364-370.
D.8-5
