HIDROLISIS BIJI SORGUM MENJADI BIOETANOL MENGGUNAKAN NaOH – PAPAIN DENGAN METODE SAKARIFIKASI DAN FERMENTASI SIMULTAN Dini Anggriani 2306100036,Erika Ariane Susilo 2306 100 090 Prof.Dr.Ir. Nonot Soewarno, M.Eng Laboratorium Proses Pemisahan Teknik Kimia FTI-ITS Biji sorgum dapat digunakan sebagai bahan baku industri pembuatan bioetanol. Pati dalam biji sorgum sulit diurai disebabkan oleh protein body yang membungkusnya. Faktor penghambat tersebut dapat diatasi dengan pretreatment larutan alkali atau enzim protease. Tujuan penelitian ini yaitu mengetahui pengaruh penambahan NaOH dan papain terhadap hidrolisis biji sorgum dan mendapatkan viskositas gelatinisasi yang dapat diterapkan di dunia industri pembuatan etanol (<2000 cP). Variabel penelitian yang digunakan yakni konsentrasi NaOH (0,05%; 0,1%; 0,15% w/v) dengan variasi papain (0,05%; 0,15%; 0,25% w/v) dan tanpa menggunakan NaOH dengan konsentrasi papain 0,3% w/v serta tanpa pretreatment. Pada proses persiapan bahan baku, biji sorgum digiling kemudian diayak melewati ukuran 20 mesh. Selanjutnya dilakukan proses pretreatment dengan direndam dalam larutan NaOH 2 jam (konsentrasi sesuai variabel). Larutan ditambah dengan HCl hingga pH mencapai 6, dan papain sesuai variabel lalu direndam selama 0,5 jam. Kemudian, proses liquifikasi dilakukan pada suhu 80 - 90°C selama 2 jam, dilanjutkan proses sakarifikasi pada suhu 55 - 60°C dengan pH 4,5 - 5 selama 3 jam. Setelah itu aerasi dilakukan selama 2 jam dan proses fermentasi selama 60 jam secara anaerobik. Hasil penelitian menunjukkan penggunaan NaOH dan papain menghasilkan DE sebesar 58,76% dan tanpa pretreatment 28,95%. Hidrolisis biji sorgum pada variabel 1
konsentrasi NaOH 0,15% w/v dan papain 0,25% w/v menghasilkan viskositas gelatinisasi terbaik sebesar 150 cP. PENDAHULUAN Sorgum (Sorghum bicolor (L.) Moench) merupakan tanaman sejenis rumput yang menghasilkan biji untuk dimakan ( sereal ) dan cukup potensial untuk dikembangkan di Indonesia karena mempunyai daya adaptasi cukup baik dan merupakan komoditas alternatif untuk pangan, pakan, dan industri.(Sirappa, 2003). Kandungan pati pada biji sorgum sulit diurai dibanding jenis sereal lainnya. Hal ini disebabkan oleh adanya protein body dan matriks protein yang membungkus granula pati yang sukar diluruhkan (Duodu, 2003). Faktor – faktor penghambat tersebut dapat diatasi dengan penambahan enzim protease atau larutan alkali saat pretreatment. Tujuan pretreatment adalah untuk meluruhkan protein body dan matriks protein yang menyelubungi biji sorgum sehingga pada saat hidrolisis enzim alpha amylase dan glucoamylase dapat bekerja secara optimum untuk mengkonversi pati. Penggunaan enzim protease pada tepung sorgum dalam penelitian ini menggunakan enzim papain yang berasal dari pengeringan getah pepaya dalam bentuk tepung. Sedangkan untuk larutan alkali digunakan NaOH. Pada proses hidrolisis adanya gelatinisasi saat liquifikasi sangat berperan penting dalam peruraian pati. Sifat fungsional pati yang penting adalah kemampuan pati untuk mengentalkan dan membentuk gel. Sifat pengental pati ditunjukkan dengan kemampuan pati mencapai viskositas tinggi selama pemanasan. Pada industri etanol sendiri, proses gelatinisasi ini apabila kekentalannya diatas 2.000 cP maka akan menimbulkan masalah dimana agitator dalam cooking tank akan sulit berputar untuk mengaduk campuran tepung sorgum. Oleh karena itu dalam penelitian ini diukur derajat kekentalan saat gelatinisasi dari biji sorgum tanpa pretreatment dan dengan pretreatment NaOH – papain.
2
METODOLOGI Peralatan utama yang digunakan adalah jar fermentor 2L dan peralatan distilasi . Tempat Pemasukan Bahan Penelitian
Rotameter Agitator Udara
Bukaan Pengambil Sample Jar Fermentor
Jacket Jar Fermentor
Tempat Pengeluaran Air
Gambar 1. Skema jar fermentor
Gambar 2. Skema peralatan distilasi
3
Penelitian dilakukan dalam skala laboratorium. Biji Sorgum yang digunakan adalah varietas Hermada. Sorgum diperoleh dari daerah Bandar Jaya, Lampung Tengah. Variabel penelitian yaitu konsentrasi NaOH (0,05%, 0,1%, 0,15% w/v) dan papain (0,05%, 0,15%, 0,25% w/v). Waktu perendaman biji sorgum mula-mula dengan larutan NaOH selama 2 jam kemudian dilanjutkan dengan penambahan campuran papain dengan aquadest selama 0,5 jam. Proses pembuatan etanol dilakukan pada jar fermentor dengan volume kerja 2 L. Enzim yang digunakan untuk hidrolisis adalah Liquozyme dan Dextrozyme. Total sugar awal yang digunakan dalam penelitian adalah ± 17%. Proses liquifikasi dilakukan pada suhu 80-90oC selama 2 jam, dilanjutkan proses sakarifikasi pada suhu 55-60oC selama 3 jam. Kemudian dilakukan proses fermentasi pada suhu 30-32oC selama 60 jam. Dalam penelitian akan diukur total sugar, reducing sugar, cell number, acidity, viskositas dan konsentrasi etanol. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada semua variabel penelitian terlihat bahwa persen DE semakin meningkat seiring bertambahnya waktu seperti pada Gambar IV.12. Misalnya pada variabel NaOH 0,05% dan papain 0,05% pada jam ke-(2,5), (4,5), dan (7,5) berturut – turut sebesar (2,6), (19,58), dan (30,0) dikarenakan protein body dan matriks protein yang menyelubungi biji sorgum dapat meluruh sehingga enzim bekerja dengan baik memecah rantai pati menjadi molekul-molekul glukosa.
4
60 Simbol
50
% DE
40
30
20
10
NaOH ( %w/v) 0,05 0,05 0,05 0,10 0,10 0,10 0,15 0,15 0,15 0,00 0,00
Papain ( %w/v) 0,05 0,15 0,25 0,05 0,15 0,25 0,05 0,15 0,25 0,30 0,00
0 0
2,5
5
7,5
Waktu (Jam)
Gambar IV.12 Penambahan NaOH dan papain (sesuai variabel) saat Pretreatment, liquifikasi,dan sakarifikasi terhadap % DE DE tertinggi didapatkan dari hasil pretreatment dengan menggunakan NaOH 0,15 % dan papain 0,25% yakni pada jam ke-(2,5), (4,5), dan (7,5) berturut– turut (4,70), (33,69), dan (58,76). Viskositas gelatinisasi, DE setelah sakarifikasi, %FR, dan konsentrasi etanol pada jam ke-60 ditunjukkan pada Tabel IV.2. Pada konsentrasi NaOH 0,05% w/v dan papain 0,05%;0,15%;0,25% DE yang dihasilkan masih rendah yaitu berkisar antara 30%; 31,3%;40% dan yeast hanya mampu menghasilkan etanol 7,3%; 7,5%; 7,6% serta viskositas gelatinisasi masih > 2.000 cP. Namun jika ditinjau dari viskositas gelatinisasi, dengan konsentrasi NaOH sebesar 0,05% w/v 5
meskipun dengan kenaikan konsentrasi papain dari 0,05% sampai 0,25% masih menimbulkan masalah pada agitator karena batas viskositas gelatinisasi maksimal sebesar 2.000 cP. Ketika konsentrasi NaOH dinaikkan sebesar 0,1% w/v dan 0,15% w/v dengan papain 0,05%;0,15%;0,25% maka DE semakin meningkat. Ini menunjukkan kenaikan konsentrasi variabel (NaOH dan papain) berpengaruh pada kenaikan nilai DE. Nilai DE itu sendiri merepresentasikan kandungan dextrose (glukosa) yang dapat dikonversi dari Total Sugar (TS). Semakin besar konsentrasi NaOH maupun papain yang digunakan maka semakin besar kerja NaOH dan papain dalam proses peluruhan matriks dan protein body. Dengan demikian kinerja enzim saat hidrolisis lebih optimal untuk memecah pati sehingga pada akhir proses sakarifikasi Reducing Sugar (RS) yang dihasilkan semakin besar sehingga berdampak pada kenaikan nilai DE. Oleh karena nilai DE meningkat maka semakin banyak jumlah glukosa yang tersedia sehingga konsentrasi etanol yang dihasilkan dari konversi glukosa oleh yeast saat proses fermentasi semakin besar. Hal ini terlihat dari konsentrasi NaOH sebesar 0,15% w/v dengan papain 0,05%;0,15%;0,25% menghasilkan konsentrasi etanol masingmasing sebesar 8,8%; 9,1%; dan 9,3% v/v. Fungsi penambahan NaOH pada tahap pretreatment adalah untuk menembus matriks protein yang mengandung glutelin, albumin, dan globulin. Namun NaOH sukar menguraikan protein body yang mengandung kafirin (Taylor et al., 1984). Sedangkan papain merupakan golongan enzim yang dapat memecah komponen kafirin, sehingga proses peluruhan protein semakin baik (Dubey et al., 2007). Dengan ketersediaan RS yang semakin besar memungkinkan yeast untuk mengkonversi glukosa menjadi etanol dengan hasil yang lebih besar.
6
Tabel IV.2 Pengaruh konsentrasi NaOH dan papain terhadap viskositas gelatinisasi, Dextrose Equivalent (DE), Fermentation Ratio (FR), dan konsentrasi etanol Pretreatment NaOH Papain (% w/v ) (% w/v ) 0,05 0,05 0,15 0,25 0,05 0,1 0,15 0,25 0,05 0,15 0,15 0,25 0,00 0,30 0,00 0,00
Viskositas DE Setelah Gelatinisasi Sakarifikasi ( cP ) (%) 7.000 30,00 5.500 31,30 4.200 40,00 700 48,81 550 49,46 350 49,79 350 50,86 250 57,89 150 58,76 400 58,60 14.500 28,95
Jam ke-60 FR Etanol (%) (% v/v) 69,54 7,3 73,07 7,5 77,57 7,6 80,51 7,7 80,42 8,3 80,98 8,5 82,92 8,8 84,81 9,1 85,74 9,3 82,57 7,8 67,79 6,8
Konsentrasi etanol, DE sakarifikasi, dan FR tertinggi dihasilkan dari konsentrasi NaOH 0,15% w/v dan papain 0,25% w/v yakni etanol = 9,3% v/v, DE sakarifikasi = 58,76% dan FR = 85,74% dibandingkan variabel konsentrasi yang lain bahkan dengan konsentrasi papain yang lebih tinggi yakni 0,3% w/v. Penggunaan konsentrasi papain tertinggi (0,3% w/v) belum bekerja maksimal dikarenakan papain lebih berperan dalam penguraian kafirin pada protein body dan bukan pada matriks protein.
7
KESIMPULAN Berdasarkan data penelitian yang diperoleh, dapat disimpulkan hal-hal berikut : 1. Penggunaan NaOH dan papain meningkatkan nilai Dextrose Equivelent (DE) pada akhir proses sakarifikasi sebesar 58,76% dan tanpa pretreatment 28,95%. 2. Penggunaan NaOH dan papain dapat meningkatkan kadar etanol yang dihasilkan pada akhir fermentasi berkisar antara 7,3%v/v - 9,3%v/v dan tanpa pretreatment pada hidrolisis biji sorgum yakni 6,8%v/v. 3. Viskositas gelatinisasi pada hidrolisis biji sorgum pada variabel konsentrasi NaOH 0,1% w/v dan 0,15% w/v dengan konsentrasi papain masing-masing 0,05%, 0,15%, dan 0,25% w/v tidak menimbulkan masalah pada industri etanol karena viskositas gelatinisasi yang dihasilkan kurang dari 2.000 cP berkisar antara 150 cP – 700 cP. DAFTAR PUSTAKA Bai, F.B., W.A. Anderson, and M. Moo-Young. Ethanol Fermentation Technologies from Sugar and Starch Feedstocks. Biotechnology Advance.2008;26:89-105 Broto, W. dan N. Richana. Inovasi Teknologi Proses Industri Bioetanol dari Ubi Kayu Skala Pedesaan. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian. 2006. De Jong, F.M., J.C. Du Preez, and P.M. Lategan. Effect of Polyphenol Content on the Hydrolysis and Fermentation of Grain Sorghum Starch. Biomass. 1987;12: 57. Dubey, V.K., M. Pande. Papain-like Protease : Applications of Their Inhibitors. African Journal of Biotechnology. 2007;6(9):1077-1086. Du Preez, J.C., F. De Jong, P.J. Botes, and P.M. Lategan. Fermentation Alcohol from Grain Sorghum Starch. Biomass. 1985;8:101.
8
