PEMANFAATAN SERBUK KAYU UNTUK PRODUKSI ETANOL
DENNY IRAWATI
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
ABSTRAK DENNY IRAWATI. Pemanfaatan Serbuk Kayu Untuk Produksi Etanol. Dibimbing oleh NORMAN RAZIEF AZW AR, WASRIN SYAFII dan I MADE ARTIKA. Saat ini di Indonesia tengah terjadi krisis bahan bakar minyak. Salah satu jenis bahan bakar alternatif adalah bioetanol. Bioetanol dapat diproduksi dari berbagai bahan lignoselulosa. Dilain pihak, pada tahun 2003, produksi log Indonesia adalah mencapai 10.086.217,06 m3, dengan jumlah limbah industri perkayuan diperkirakan sekitar 3,03-4,03 juta m 3 untuk tahun 2003. Proses pengolahan serbuk kayu menjadi bioetanol dapat dilakukan dengan menggunakan metode sakarifikasi-fermentasi secara simultan. Kendala yang dihadapi dalam hidrolisis serbuk kayu dengan cara enzimatis yang menyebabkan rendahnya laju hidrolisis, salah satunya adalah adanya kandungan lignin dalam serbuk kayu tersebut. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian mengenai perlakuan delignifikasi atau penghilangan lignin dari serbuk kayu sebelum perlakuan sakarifikasi-fermentasi simultan untuk meningkatkan kemampuan hidrolisis dari enzim. Penelitian ini dilakukan dengan menyerangkan jamur pelapuk putih yaitu Phanerochaete chrysosporium pada 3 jenis serbuk kayu yaitu jati, meranti dan sengon. Sebelum dan sesudah didegradasi ligninnya menggunakan jamur P. chrysosporium , ketiga jenis serbuk kayu tersebut dianalisis terlebih dahulu kandungan kimianya (ekstraktif, selulosa, holoselulosa, abu dan lignin). Selanjutnya dilakukan proses sakarifikasi-fermentasi secara simultan menggunakan enzim kasar dari Trichoderma viride dan Saccharomyces cerevisiae pada shaker inkubator dengan kecepatan 12 rpm pada suhu 30OC selama 72 jam. Hasilnya berupa etanol dianalisis menggunakan metode kromatografi gas. Rancangan analisis yang digunakan adalah Rancangan Acak Lengkap, menggunakan dua faktor perlakuan, yaitu : jenis kayu (A) dan waktu inkubasi (B). Perlakuan pendahuluan dengan jamur Phanerochaete chrysosporium pada berbagai jenis serbuk kayu dan waktu inkubasi meningkatkan kadar etanol yang dihasilkan sebesar 26,68-76,90%. Sifat kimia serbuk kayu yang berpengaruh nyata terhadap kadar etanol adalah kadar holoselulosa, semakin tinggi kadar holoselulosa maka semakin tinggi kadar etanol yang dihasilkan. Kadar etanol yang dihasilkan berkisar antara 0,016-0,448 g/l. Interaksi antara faktor jenis serbuk kayu dengan waktu inkubasi berpengaruh nyata terhadap kadar etanol. Kombinasi perlakuan yang paling baik adalah pada serbuk kayu sengon dengan waktu inkubasi 30 hari.
ABSTRACT DENNY IRAWATI. The Utilization of Sawdust for Ethanol Production. Under the direction of NORMAN RAZIEF AZWAR, WASRIN SYAFII and I MADE ARTIKA. Currently, Indonesia is in the middle of petroleum crisis. One of the alternative fuels which can be used as a petroleum substitute is ethanol. Ethanol can be produced from the timber waste (sawdust). Indonesia, in 2003, had timber waste potency of about 3 – 4 millions m 3. Process of sawdust manufacturing become an ethanol can be conducted by simultaneous saccharificationfermentation method. However, ethanol production from sawdust has problem due to its lignin content. Therefore, research on bio-delignification treatment of sawdust prior to ethanol making process is required. The research was done by acted of growing white rot fungi Phanerochaete chrysosporium on three kinds of sawdust i.e. jati, meranti and sengon. The chemical contents (extractive contents, cellulose contents, holocellulose contents, ash contents and lignin contents) of these three of sawdust were analyzed previously. Then simultaneous saccharification-fermentation (SSF) process was done by using crude enzyme from Trichoderma viride and then followed by fermentation with Saccharomyces cerevisiae on shaker incubator with rate 12 rpm at temperature 30oC for 72 hours. The result as an ethanol was analyzed by using gas chromatography method. Analysis design used was completely randomized design using 2 factors of treatment i.e. type of wood (A) and time of incubation (B). Pretreatment with Phanerochaete chrysosporium on various types of sawdust and incubation time rises up ethanol contents up to about 26.68 – 76.90%. Chemical contents of sawdust having significant effect to ethanol contents was holocellulose, the higher holocellulose contents give higher ethanol contents. Ethanol contents resulted was about o.o16 – 0.448 g/l. Interaction between factor type of wood and time of incubation had significant effect to ethanol content. The best combination treatment was on sengon sawdust with incubation period of 30 days.
PEMANFAATAN SERBUK KAYU UNTUK PRODUKSI ETANOL
DENNY IRAWATI
Tesis Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Magister Sains Pada Departemen Biokomia
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
Judul Tesis Nama NRP PS
: : : :
Pemanfaatan Serbuk Kayu Untuk Produksi Etanol. Denny Irawati G. 451040011 Biokimia (BIK)
Disetujui, Komisi Pembimbing
Prof.Dr.H. Norman Razief Azwar Ketua
Prof.Dr.Ir. Wasrin Syafii, M.Agr Anggota
Dr.Ir. I Made Artika, MApp.Sc Anggota
Diketahui, Ketua Program Studi S2 Biokimia
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof.Dr.drh.Maria Bintang, MS
Dr.Ir.Khairil Anwar Notodiputro,MS
Tanggal Ujian: 22 Agustus 2006
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji syukur ke hadirat Allah swt atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini dengan judul Pemanfaatan Serbuk Kayu Untuk Produksi Etanol. Penelitian dilaksanakan dari bulan November 2005 hingga bulan Mei 2006. Karya ilmiah ini disusun guna memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Biokimia, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Pada kesempatan penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof.Dr.H.Norman Razief Azwar,M.Sc., Prof.Dr.Ir. Wasrin Syafii,M.Agr. dan Dr.Ir. I Made Artika,Mapp.Sc. sebagai pembimbing dalam penulisan karya ilmiah ini. 2. Teknisi laboratorium Fermentasi Departemen Biokimia, laboratorium Kimia Kayu Jurusan Teknologi Hasil Hutan, Institut Pertanian Bogor, laboratorium Bioteknologi Hutan Jurusan Budidaya Hutan, laboratorium Kimia dan Serat Kayu Jurusan Teknologi Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan, Universitas Gadjah Mada atas segala bantuan yang telah diberikan selama pelaksanaan penelitian. 3. Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu yang telah berperan dalam proses penulisan karya ilmiah ini. Disadari sepenuhnya bahwa karya ilmiah ini masih jauh dari sempurna, oleh karena karena itu kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan. Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat.
Bogor, Agustus 2006 Denny Irawati
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Cilacap pada tanggal 12 Juli 1978 dari ayah Pudjianto dan ibu Muryati. Penulis merupakan anak ke tiga dari lima bersaudara. Tahun 1996 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Cilacap dan pada tahun yang sama diterima sebagai mahasiswa jurusan Teknologi Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan, Universitas Gadjah Mada, Jogjakarta. Sejak tahun 2002 hingga sekarang penulis menjadi staf pengajar di jurusan Teknologi Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan, Universitas Gadjah Mada. Pada tahun 2004 penulis mengikuti pendidikan program Magister pada Program Studi Biokimia Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ........................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR …………………………………………………………….
x
DAFTAR LAMPIRAN …………………………………………………………..
xi
PENDAHULUAN ........................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA ...............................................................................
5
Karakteristik Bahan Baku ...................................................................
5
Kimia Kayu .........................................................................................
7
Jamur Phanerochaete chrysosporium Burdsall .................................
15
Reaksi Degradasi Lignin Oleh Jamur ................................................. 17 Kapang Trichoderma viride Person and Fries .................................... 20 Yeast Saccharomyces cerevisiae Meyen ex Hansen ……………….
21
Sakarifikasi Fermentasi Simultan ..……………………………………..
22
BAHAN DAN METODE .............................................................................. 25 Waktu dan Tempat .............................................................................
25
Bahan dan Alat ................................................................................... 25 Prosedur Pelaksanaan .......................................................................
26
Analisis Hasil ......................................................................................
34
HASIL DAN PEMBAHASAN .....................................................................
35
Pertumbuhan Jamur Phanerochaete chrysosporium Burdsall ...........
35
Kandungan Kimia Kayu ...................................................................... 37 Aktivtas Enzim .................................................................................... 52 Kadar Etanol ......................................................................................
54
SIMPULAN .................................................................................................
58
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................... 60 LAMPIRAN .................................................................................................
64
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Tabel 2.
Nilai rata-rata kadar ekstraktif, kadar abu dan kadar lignin kayu (%) ....................................................................................
37
Nilai rata-rata kandar holoselulosa, kadar hemiselulosa, dan kadar selulosa kayu (%) …………..………………………………
38
Tabel 3.
Hasil uji BNJ interaksi faktor jenis kayu dan waktu inkubasi terhadap kadar ekstraktif serbuk kayu ......................................
Tabel 4.
Hasil uji BNJ interaksi faktor jenis kayu dan waktu inkubasi terhadap kadar abu serbuk kayu ..............................................
43
Hasil uji BNJ faktor waktu inkubasi terhadap kadar holoselulosa serbuk kayu ..........................................................
45
Hasil uji BNJ interaksi faktor jenis kayu dan waktu inkubasi terhadap kadar selulosa serbuk kayu .......................................
46
Hasil uji BNJ interaksi faktor jenis kayu dan waktu inkubasi terhadap kadar hemiselulosa serbuk kayu ...............................
48
Hasil uji BNJ interaksi faktor jenis kayu dan waktu inkubasi terhadap kadar lignin serbuk kayu ............................................
51
Tabel 9.
Nilai rata-rata kadar etanol (g/l) dan (g/g) .................................
53
Tabel 10.
Hasil uji BNJ interaksi faktor jenis kayu dan waktu inkubasi terhadap kadar etanol (g/l) serbuk kayu....................................
55
Tabel 5. Tabel 6. Tabel 7. Tabel 8.
42
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.
Skema dinding sel kayu dan hubungan lignin, selulosa dan hemiselulosa dalam dinding sekunder ........................
7
A. Struktur selulosa dengan pengulangan unit selobiosa. B. Selulosa kristalin .............................................................
8
A. Struktur O-asetil-4-O-metilglukoronoksilan(hemiselulosa utama di kayu daun lebar). B. Struktur O-aselilgalakto glukomanan (hemiselulosa utama pada kayu daun jarum) .
10
Gambar 4.
Model struktur lignin …………………………………………..
11
Gambar 5.
Struktur kimia 3 subunit penyusun lignin .............................
12
Gambar 6.
Ikatan ß-aryl ether pada lignin kayu ....................................
12
Gambar 7.
A. Penggabungan materi lignoselulosa membentuk serat elentari dan mikrofibril. B. Struktur ikatan ester antara lignin dengan arabino-4-O-methilglucomonoxylan pada Pinus ...................................................................................
14
Skema penyerangan lignin oleh enzim jamur Phanerochaete chrysosporium ...........................................
17
Gambar 9.
Skema lignolitik dari jamur pembusuk putih ………………..
18
Gambar 10.
Mekanisme hidrolisis enzim selulase ..................................
24
Gambar 11.
Isolat P. chrysosporium umur 6 hari pada media PDA …....
35
Gambar 12.
Kondisi serbuk kayu sebelum diberi perlakuan jamur dan setelah 30 hari waktu inkubasi dengan jamur P.chrysosporium ……………………………………………….
36
A. Histogram kadar kimia kayu serbuk kayu sengon. B. Histogram kadar kimia kayu serbuk kayu meranti. C. Histogram kadar kimia kayu serbuk kayu jati .................
39
A. Isolat T.viride umur 5 hari. B. Spora pada suspensi 10 ml aquades ..........................................................................
51
Gambar 15.
Histogram kadar etanol dari serbuk kayu.............................
54
Gambar 16.
Grafik hubungan kadar holoselulosa dengan kadar etanol .
56
Gambar 2. Gambar 3.
Gambar 8.
Gambar 13.
Gambar 14.
