EFEKTIVITAS KOMBINASI PROSES PERENDAMAN DENGAN AMONIAK DAN ASAM PADA PENGOLAHAN AWAL BIOMASSA SEBAGAI BAHAN BAKU PEMBUATAN BIOETANOL
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh:
SILVI OCTAVIA NIM : 23006001 Program Studi Teknik Kimia
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
ABSTRAK EFEKTIVITAS KOMBINASI PROSES PERENDAMAN DENGAN AMONIAK DAN ASAM PADA PENGOLAHAN AWAL BIOMASSA SEBAGAI BAHAN BAKU PEMBUATAN BIOETANOL Oleh : Silvi Octavia NIM : 23006001 Lignoselulosa merupakan komponen berenergi terbesar yang dimiliki oleh biomassa, yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol dan menghindari persaingan dengan bahan pangan. Lignoselulosa memiliki 3 penyusun utama, yaitu selulosa, hemiselulosa, dan lignin, yang saling terikat erat membentuk satu kesatuan. Sedangkan yang dibutuhkan untuk bahan baku bioetanol hanyalah komponen selulosa yang dihidrolisis dengan menggunakan enzim untuk menghasilkan monosakarida. Untuk memudahkan hidrolisis selulosa oleh enzim maka hemiselulosa dan lignin harus dipisahkan terlebih dahulu melalui suatu pengolahan awal (pretreatment). Pengolahan awal yang dilakukan adalah kombinasi perendaman dengan menggunakan larutan amoniak dan turunan organiknya; dan larutan asam klorida encer, terhadap bahan lignoselulosa berupa tongkol jagung dan tandan kosong sawit. Variasi yang dilakukan sebagai variable proses adalah jenis pelarut, konsentrasi pelarut, dan temperatur perendaman. Sebagai tahap akhirnya dilakukan pengujian terhadap derajat kemudahan hidrolisis selulosa dalam bahan produk rendaman. Hasil yang diperoleh memperlihatkan bahwa amoniak dan turunan organiknya, yaitu dietilamina dan isopropilamina, dapat dijadikan pelarut pada proses delignifikasi. Isopropilamina memberikan hasil yang lebih baik jika dilihat dari jumlah pemakaian bahan dan derajat delignifikasinya. Tongkol jagung memberikan derajat delignifikasi 80 – 90 %, artinya 80 – 90 % kandungan lignin pada tongkol jagung dapat diambil oleh pelarut. Derajat delignifikasi TKS adalah pada kisaran 55 – 75 %. Pengujian derajat kemudahan hidrolisis selulosa dilakukan dengan menggunakan enzim selulase. Hasilnya dibandingkan dengan hidrolisis selulosa dari kertas saring Whitman No.1 yang diberi perlakuan yang sama. Tanpa pretreatment hasilnya 14% glukosa yang terbentuk, sedangkan dengan satu jenis perlakuan saja memberikan hasil 28 – 30 %, dan perendaman dengan amoniak dan turunannya yang dilanjutkan dengan hidrolisis asam memberikan hasil 31 – 40 %. Hasil tertinggi diberikan oleh penggunaan pelarut dietilamina dan isopropilamina.
i
ABSTRACT THE EFFECTIVENESS OF COMBINATION BETWEEN ACIDIC AND AMMONIA SOAKING PROCESS IN THE PRETREATMENT OF BIOMASS AS A RAW MATERIAL IN BIOETHANOL PROCESSES By :
Silvi Octavia NIM : 23006001
Lignocellulose is a biomass which gives the biggest energy as raw material in bioethanol production. By using lignocellulose, it is expected that there will be no competition of using it as food. Lignocellulose consist of three mayor components, cellulose, hemicellulose, and lignin. They bond each other very tightly. Among those three, only cellulose which is needed as substrate in bioethanol production. At first, cellulose is hydrolised biologically. Since hemicellulose, cellulose and lignin bond tightly, they have to separated first through pretreatment. Pretreatment conducts by soaking in a combination between dilute ammonia and hydrochloride solution. As a lignocellulose source are corn cob and oil palm empty fruit bunch (OPEFB) fiber. The variables are kind of solvent, solvent concentration, and soaking temperature. Finally it needs some test to know the degree of cellulose hydrolisis in soaking product. The research shows us that ammonia, diethyl amine and isopropyl amine could be solvent to remove lignin from the biomass. Isopropyl amine gives much better result for delignification process. There are 80 – 90 % degrees of delignification from corn cob, and from OPEFB fiber was 55 – 75 %. The degree of cellulose hydrolisis was found by enzymatic hydrolysis and used a cellulase enzyme. The result from biomass will be compare with the result from filter paper Whitman No. 1. And give us that without pretreatment, it just 14% glucose was obtained, 28 – 30 % glucose from one part of pretreatment, and with combination between ammonia soaking and acidic pretreatment we found 31 – 40 % glucose after enzymatic process. Diethyl amine and isopropyl amine give the best result.
ii
HALAMAN PENGESAHAN
EFEKTIVITAS KOMBINASI PROSES PERENDAMAN DENGAN AMONIAK DAN ASAM PADA PENGOLAHAN AWAL BIOMASSA SEBAGAI BAHAN BAKU PEMBUATAN BIOETANOL
Oleh:
SILVI OCTAVIA NIM : 23006001
Program Studi Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung
Menyetujui : Tanggal : ……………………………..
Pembimbing
Dr. Tatang Hernas Soerawidjaja
Co Pembimbing
Dr. Ronny Purwadi
iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizing pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
iv
Tesis ini saya persembahkan untuk Papa Zulkarnaini Chan (alm) dan Mama Wirda Anhar, mertua saya; Bapak Rustam Usman dan Ibu Dahsinar, suami tercinta; Dhira R. Usman, adik-adik saya; Siska Sandra, dan Rudi, anak-anak; Dio dan Rizky, yang selalu memberikan dorongan dan semangat dalam hidup saya. Dalam penderitaan pasti akan ada kebahagiaan. Amin…
v
KATA PENGANTAR
Penulis mengucapkan puji dan syukur ke hadirat Allah, SWT atas segala rahmat, anugerah, dan petunjuk-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini. Penelitian ini berjudul “Efektivitas Kombinasi Perendaman dengan Amoniak dan Asam pada Pengolahan Awal Biomassa sebagai Bahan Baku Pembuatan Bioetanol”. Penelitian ini tidak akan terlaksana dengan baik tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Dr. Tatang Hernas Soerawidjaja dan Dr. Ronny Purwadi selaku dosen pembimbing, yang telah memberikan bantuan, saran, dan bimbingan kepada penulis selama penelitian. 2. Segenap pimpinan Kopertis Wilayah X dan Universitas Bung Hatta Padang, atas kesempatan yang diberikan kepada penulis sehingga dapat menempuh pendidikan Magister Program Studi Teknik Kimia ITB. 3. Bapak Komari dan Bapak Komar yang telah banyak membantu pelaksanaan penelitian ini. 4. Rekan-rekan di jurusan Teknik Kimia, Universitas Bung Hatta Padang dan rekan-rekan Magister Teknik Kimia ITB 2006, atas dukungannya selama ini.
Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk menyempurnakan laporan penelitian ini.
Bandung, Juni 2008 Penulis
vi
DAFTAR ISI
Halaman ABSTRAK …………………………………………………………….
i
ABSTRACT …………………………………………………………...
ii
HALAMAN PENGESAHAN …………………………………….......
iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS …………………………………
iv
HALAMAN PERUNTUKAN ………………………………………...
v
KATA PENGANTAR …………………………………………….......
vi
DAFTAR ISI …………………………………………………….........
vii
DAFTAR LAMPIRAN ………………………………………….........
ix
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI …………………………….
x
DAFTAR TABEL ………………………………………………..........
xii
BAB I
Pendahuluan …………………………………………......
1
I.1
Latar Belakang ……………………………………
1
I.2
Perumusan Masalah ………………………………
2
I.3
Tujuan Penelitian …………………………………
4
I.4
Ruang Lingkup …………………………………...
4
Tinjauan Pustaka …………………………………...........
5
II.1
Komponen dan Struktur Lignoselulosa …………..
5
II.1.1 Selulosa ……………………………………
7
II.1.2 Hemiselulosa ………………………………
8
II.1.3 Lignin ……………………………………...
10
II.2
Pengolahan Awal Bahan Lignoselulosa ………….
11
II.3
Penelitian Pendahulu ……………………………..
17
Peralatan dan Metoda ……………………………………
20
III.1 Metodologi ……………………………………….
20
III.2 Variabel Percobaan ……………………………….
23
III.3 Bahan dan Peralatan ……………………………...
23
BAB II
BAB III
vii
III.3.1 Bahan ……………………………………..
23
III.3.2 Peralatan ………………………………….
25
III.4 Karakteristik ……………………………………...
27
III.4.1 Pengujian Lignin …………………………
27
III.4.2 Pengujian Hemiselulosa ………………….
27
III.4.3 Pengujian Selulosa ……………………….
27
III.4.4 Pengujian Kadar Abu …………………….
27
III.4.5 Pengujian Kadar Air ……………………..
27
III.4.1 Pengujian Derajat Kemudahan Hidrolisis
BAB IV
Selulosa ………………………………….
27
Hasil dan Pembahasan …………………………………..
28
IV.1 Analisis Bahan Baku ……………………………..
28
IV.2 Proses Pengolahan Awal …………………………
29
IV.2.1 Perendaman dengan Larutan Amoniak dan Turunannya ………………………………
30
IV.2.1.1 Perendaman dengan Amoniak …
31
IV.2.1.1.1 Variasi Konsentrasi Pelarut ……………..
31
IV.2.1.1.2 Variasi Temperatur ...
32
IV.2.1.2 Perendaman dengan Dietilamina
33
IV.2.1.3 Perendaman dengan IsopropilAmina ………………………….
35
IV.2.2 Hidrolisis Asam …………………………..
36
IV.3 Uji
Hidrolisis
Enzimatik
Selulosa
Hasil
Pretreatment ……………………………………...
37
IV.4 Analisa Konsentrasi Pelarut Bekas Pakai ………...
42
Kesimpulan dan Saran …………………………………...
45
V.1
Kesimpulan ……………………………………….
45
V.2
Saran ……………………………………………...
45
Daftar Pustaka ………………………………………………………….
47
BAB V
viii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran A
Prosedur Penelitian ………………………………
Lampiran B
Analisa Kadar Glukosa (Metoda Titrimetrik
Lampiran C
49
Shaffer-Somogyi) ………………………………..
50
Hasil Lengkap Analisa Kadar Glukosa…………..
53
ix
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI
Halaman Gambar II.1
Konfigurasi jaringan kayu …………………………...
6
Gambar II.2
Struktur Selulosa …………………………………….
7
Gambar II.3
Struktur unit-unit penyusun hemiselulosa …………...
8
Gambar II.4
Struktur xilan ………………………………………...
9
Gambar II.5
Contoh struktur hemiselulosa ………………………..
9
Gambar II.6
Unit-unit penyusun lignin ……………………………
10
Gambar II.7
Struktur lignin dari softwood ………………………...
11
Gambar II.8
Skema pretreatment bahan lignoselulosa ……………
12
Gambar II.9
Skema
ideal
pemanfaatan
biomassa
untuk
memproduksi etanol bahan bakar ……………………
15
Gambar II.10
Hidrolisis enzimatik selulosa menjadi glukosa ……...
17
Gambar III.1
Diagram prosedur kerja ……………………………...
22
Gambar III.2
Reaktor delignifikasi ………………………………...
25
Gambar III.3
Peralatan refluks …………………………………….
25
Gambar III.4
Peralatan penyaringan ……………………………….
26
Gambar III.5
Penangas air ………………………………………….
26
Gambar IV.1
Peralatan yang digunakan ……………………………
29
Gambar IV.2
Pretreatment tongkol jagung ………………………...
30
Gambar IV.3
Proses prmisahan lignin dari pelarutnya …………….
31
Gambar IV.4
Peralatan pemanasan ………………………………...
33
Gambar IV.5
Peralatan hidrolisis enzimatik ……………………….
38
Gambar IV.6
Hasil hidrolisis enzimatik ……………………………
38
Gambar IV.7
Pengujian kadar glukosa dengan metoda Shaffer-
Gambar IV.8
Somogyi ……………………………………………..
39
TKS setelah dienzimatik selama 48 jam …………….
39
x
Gambar IV.9
Hidrolisis enzimatik tongkol jagung dan TKS pada berbagai proses pretreatment dibandingkan dengan kertas saring ………………………………………….
Gambar IV.10
40
Hasil cucian pertama bahan yang telah direndam dengan amoniak ……………………………………...
43
xi
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel II.1
Parameter ciri softwood dan hardwood ………………...
5
Tabel II.2
Komposisi kimia beberapa bahan lignoselulosa ………..
6
Tabel II.3
Kelarutan masing-masing komponen …………………..
14
Tabel II.4
Sifat kimia selulosa, hemiselulosa, dan lignin ………….
14
Tabel II.5
Perbandingan hasil penelitian sebelumnya ……………..
18
Tabel II.6
Sifat-sifat fisika beberapa senyawa amina ……………...
19
Tabel III.1
Variabel Percobaan ……………………………………..
23
Tabel IV.1
Analisis bahan baku …………………………………….
28
Tabel IV.2
Hasil akhir pengolahan awal ……………………………
30
Tabel IV.3
Perendaman dengan amoniak pada berbagai konsentrasi
32
Tabel IV.4
Hasil perolehan dengan variasi temperatur ……………..
33
Tabel IV.5
Perendaman
dengan
dietilamina
pada
berbagai
konsentrasi ……………………………………………...
33
Tabel IV.6
Hasil perolehan dengan variasi temperatur ……………..
34
Tabel IV.7
Perendaman dengan isopropilamina pada berbagai konsentrasi ……………………………………………...
35
Tabel IV.8
Hasil perolehan dengan variasi temperatur ……………..
35
Tabel IV.9
Persentase pemisahan hemiselulosa menggunakan HCl 0,3 M ……………………………………………………
37
Tabel IV.10
Perolehan glukosa ………………………………………
40
Tabel IV.11
Derajat kemudahan hidrolisis selulosa …………………
42
Tabel IV.12
Analisis konsentrasi pelarut bekas pakai ……………….
43
xii
