LAPORAN AKHIR PENELITIAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI
OPTIMASI PROSES KONVERSI BIOETANOL DARI JERAMI PADI (Oryza sativa) SEBAGAI BAHAN BAKAR YANG RAMAH LINGKUNGAN Tahun ke 2 dari rencana 2 tahun
Ketua Tim: Dr. Ir. Bambang Dwi Argo, DEA (NIDN. 0010076108)
Anggota: Dewi Maya Maharani, STP., M.Sc (NIDN. 0025108701) Yusuf Hendrawan, STP., M.App.Life.Sc., Ph.D (NIDN. 0016058102)
Dibiayai oleh : Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan, Melalui DIPA Universitas Brawijaya Nomor : 023.04.2.414989/2014, Tanggal 5 Desember 2013, dan berdasarkan SK Rektor Universitas Brawijaya Nomor 157 Tahun 2014 tanggal 10 April 2014
HALAMAN PENGESAHAN UNIVERSITAS BRAWIJAYA NOVEMBER 2014
RINGKASAN Bambang Dwi Argo, Dewi Maya Maharani, Yusuf Hendrawan. Laporan Kemajuan Penelitian Unggulan (M) Perguruan Tinggi. Optimasi Proses Konversi Bioetanol dari Jerami Padi (Oryza sativa) sebagai Bahan Bakar yang Ramah Lingkungan Penelitian dengan judul “Optimasi Proses Konversi Bioetanol Dari Jerami Padi (Oryza Sativa) Sebagai Bahan Bakar yang Ramah Lingkungan” ini merupakan penelitian yang akan dilaksanakan selama dua tahun. Jerami padi mengandung selulosa dan hemiselulosa yang dapat dikonversi menjadi bioetanol, sebagai salah satu energi alternatif. Proses konversi bioetanol dari jerami padi dilakukan melalui beberapa tahapan, yaitu proses pretrearment jerami padi, proses produksi enzim selulase, hidrolisis enzimatis, fermentasi glukosa dan purifikasi etanol. Pada tahun pertama, akan dilakukan proses pretreatment jerami padi dan proses produksi enzim, sedangkan pada tahun kedua dialkukan hidrolisis enzimatis. Proses pretreatment pada jerami padi dilakukan dengan tujuan menghilangkan lignin (delignifikasi) yang menghalangi proses pemecahan selulosa menjadi glukosa. Pretreatment dilakukan dengan metode wet milling dan treatment secara kimia dengan penambahan NaOH (0,5; 1; 2; 3; 4%) yang dikombinasikan dengan penggunaan energi microwave selama 10, 20, 30, dan 40 menit. Jerami hasil pretreatment dianalisis kandungan selulosa dan hemiselulosanya dengan metode Chesson. Selanjutnya selulosa dan hemiselulosa dapat dihidrolisis menjadi glukosa. Hidrolisis dilakukan secara enzimatis dengan bantuan enzim selulase dari mikrofungi Trichoderma reesei dan Aspergillus niger. Namun sebelum itu terlebih dahulu dilakukan uji aktivitas enzim dari perbandingan Trichoderma reesei dan Aspergillus niger yang dikembangbiakkan pada media PDA miring. Proses inokulasi spora Trichoderma reesei dan Aspergillus niger pada larutan nutrisi dan substrat jerami padi difermentasi selama 6 dan 8 hari pada kondisi suhu 27°C, 30oC dan 37°C dengan pH larutan nutrisi sebesar 4,5, dan 6. Kemudian dilakukan pengujian aktivitas pada cairan enzim (supernatan) yang dihasilkan. Aktivitas enzimatis dengan perbandingan 1:0; 1:1; 1:2; 1:3; 0:1; 2:1; dan 3:1. Glukosa yang diperoleh kemudian difermentasi dengan bantuan yeast Saccharomyces cerevisae dengan pengaturan pH 4, 5, 6 selama 2, 4, 6, 8, 10 hari. Hasil yang diperoleh dianalisis dengan Gas Chromatography (GC) untuk mengetahui kadar etanolnya. Proses hidrolisis dilakukan dengan perlakuan adalah Perbandingan volume enzim selulase A. niger dan T. reesei yaitu (1:0), (0:1), (1:1), (1:2), (1:3), (2:1), (3:1) dan waktu pengambilan sempel yakni pada jam ke-8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64 dan jam ke72. Parameter yang akan dilakukan adalah mengukur kadar dari glukosa. Hasil penelitian sebelumnya dengan metode pretreatment yang berbeda menggunakan autoclave dan microwave menunjukkan persentase perubahan komponen penyusun lignosellulosa jerami padi yang berbeda. Perlakuan pretreatment terbaik terdapat pada penambahan NaOH 2M dan waktu microwave 40 menit, kemudian dihasilkan peningkatan selulosa 7,5% dan penurunan lignin sebesar 0,9%. Hasil terbaik untuk menghasilkan Aktivitas enzim selulase dari mikrofungi Aspergillus niger dan Trichoderma reesei yaitu suhu 370C dan PH 6 dengan nilai aktivitas enzim berurutan yaitu 0.187347 IU/ml 0.157994 IU/ml (endoglukanase atau CMCase), 0.026886 IU/ml 0.087481 IU/ml ( Fpase), 0.039666 IU/ml 0.021010 IU/ml (β-glukosidase). Perlakuan PH dan suhu sangat berpengaruh terhadap terhadap aktivitas enzim selulase dari mikrofungi Trichoderma reesei dan Aspergillus niger dengan substrat jerami padi. Sedangkan hasil terbaik proses hidrolisis terdapat pada
perbandingan Aspergillus niger : Trichoderma reseei (1:3) dengan waktu hidrolisis 64 jam yang menghasilkan glukosa sebesar 17,35 g/L. Kata kunci: Bioetanol, Jerami Padi, T. reesei, A. niger, wet milling, hidrolisis.
DAFTAR PUSTAKA Ahamed, A. P. Vermette (2008), “Culture-based Strategies to Enhance Cellulase Enzyme Production from Trichoderma reesei RUT-C30 inBioreactor Culture Conditions”, Biochemical Engineering Journal 40, 399–407. Alexander, M., D.A. Hopwood, B.H. Iglewski, and A.I. Laskin. 1992. Enciclopedia of Microbiology, vol 1, Academic Press Inc. : New York. Allen, S. G., Schulman, D., Lichwa, J, 2001. A comparison between hot liquid water and steam fractionation of corn fiber. Ind. Eng. Chem. Res., 40, 2934-2941. Ambriyanto, Sarju, Kurniawan. 2010. Isolasi Dan Karakterisasi Bakteri Aerob Pendegradasi Selulosa Dari Serasah Daun Rumput Gajah (Pennisetum Purpureum Schaum). Jurnal Jurusan Biologi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. ITS.Surabaya. Anindyawati, T. 2009. Prospek enzim dan limbah lignoselulosa untuk produksi bioetanol. BS. Vol. 44(1). pp: 49-56 Badan Pusat Statistik (BPS). 2010. Tabel Luas Lahan dan Produktivitas Tanaman Padi di Indonesia. BPS, Jakarta Balat, M. 2007. Global bio-fuel processing and production trends. Energy Exploration Exploitation. Vol. 25. pp: 195-218 Banerjee, S., Mudliar, S., Sen, R., Gir, B., Satpute, D., Chakrabati, T., et al., 2010. Commercializating lignocellulosic bioethanol: technology bottlenecks and possible remedies. Biofuels Biop. Biorefinering Vol. 4. Pp: 77-93 Beauchemin, K.A., D. Colombatto, D.P. Morgavi and W.Z. Yang. 2003. Use of Exogenous Fibrolytic Enzymes To Improve Feed Utilization By Ruminants. J. Anim. Sci. 81 (E. Suppl. 2): E37-E47. Berlin, A., Gilkes, N., Kurabi, A., Bura, R., Tu, M., Kilburn, D., et al., 2005. Weak lignin-binding enzymes. Applied Biochemical Biotechnology. pp: 121-124 Binod P, Sindhu, R., Singhania, R., Vikram, S., Devi, L., Nagalakshmi, S., Kurien, N., Sukumaran, R., Pandey, A., 2010, Bioethanol production from rice straw: An overview, Bioresource Technology. Vol. 101. pp: 4767–4774. BPPT, 2005, Kajian Lengkap Prospek Pemanfaatan Biodiesel Dan Bioethanol Pada SektorTransportasi Di Indonesia. Balai Besar Teknologi Pati-BPPT, Jakarta. Cai, Y.J., S.J. Chapman, J.A. Buswell And S.T. Chang.1999. Production And Distribution Of Endoglucanase, Cellobiohydrolase, And Β-Glucosidase Components Of The Cellulolytic System Of Volvariella Volvacea, The Edible Straw Mushroom. App. Env. Microb. 65: 553-559 Carlile, M.J., S.C. Watkinson and G.W. Gooday. 2001. The Fungi. 2nd ed. Academy Press. London – California. Chen, P.J., T.C. Wei, Y. T. Chang and L.P. Lin. 2004. Purification and characterization of carboxymethyl cellulase. Bot. Bull. Acad. Sin. 45: 111-118. Departemen ESDM, 2005, Blue Print Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025, Pola Pikir Pengelolaan Energi Nasional. Ding T.Y., Hii S.L., Ong L.G.A, 2012, Comparison of Pretreatment Strategies for Conversion of Coconut Husk Fiber to Fermentable Sugars, J. Bioresources, 7(2), 1540-1547. Ding, S.J., W. Ge. and J.A. Buswell. 2001. Endoglucanase I from the edible straw mushroom, volvariella volvacea. Eur. J. Biochem. 268: 5687-5695.
El-Zaher Abd, Fatma.,M.Fadel 2010. Production of Bioethanol Via Enzymatic Saccharification of Rice Straw by Cellulase Produced by Trichoderma reseei Under Solid State Fermentation. New York Science Journal. Endo, T., Tanaka, N., Yamasaki, R., Teramoto, Y., Lee, S.H. 2008. Wet mechanochemical treatment for enzymatic saccharification of wood. In 15th Annual Meeting of the Cellulose Society of Japan. Kyoto 10-11 July. Pp:117118 Faaij, A.P.C. 2006. Modern biomass conversion technologies. Mitigation Adaptation Strategies Global Changes. Vol. 11. pp: 343-375 Fox, P.F. 1991. Food Enzymology, Vol. 1, Elsevier Applied Science Ltd., New York. Gandjar, I., 2006, “Mikrobiologi Dasar dan Terapan”, Yayasan Obor Indonesia, Gozan , Misri, Samsuri,M.2007. Sakarifikasi dan Fermantasi Bagas Menjadi Ethanol Menggunakan Enzim Selulase dan Enzim Sellobiase. Jurnal Teknologi, Edisi No.3 Tahun XXI, 209-215. Hamada, Hoshikawa, dan Tone, 1998. Pervporation Charasteristics of Water and 2propanol in Sulfonated Polyethersulfone Membranes. Journal of Chemical Engineering of Japan, Vol. 31(4), pp 652-656. Hendriks, A.T.W.M. and Zeeman, G. 2009. Pretreatments to enhance the digestability of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology. Vol. 100. pp: 10-18 Hideno, A., H. Inoue, T. Yanagida, K. Tsukahara, T. Endo and S. Sawayama. 2012. Combination of hot compressed water treatment and wet disk milling for high sugar recovery yield in enzymatic hydrolysis of rice straw. Bioresource Technology, Vol. 104 Howard RL., Abotsi E., Jansen van Rensburg EL., dan Howard S, 2003, Lignocellulose biotechnology : issues of bioconversion and enzyme production, African Journal of Biotechnology, 2(12), 602-619, http://www.academicjournals.org/AJB. Hu, Z. and Wen, Z. 2008. Enhancing enzymatic digestability of switchgrass by microwave-assisted alkali pretreatment. Biochemical Engineering Journal. Vol. 38. pp: 369-378 Huang, H.J., Ramaswamy, S., Tschirner, U.W. and ramarao, B.V. 2008. A review of separation technologies in current and future biorefineries. Sep. Purif, Tech. Vol. 62. p: 1-21 Hui, L., Wan, C., , Hai-tao, D., Xue-jiao, C.,, Qi-fa, Z., Yu-hua, Z., 2010, Direct microbial conversion of wheat straw into lipid by a cellulolytic fungus of Aspergillus oryzae A-4 in solid-state fermentation, J. Bioresource Technology, 101, 7556–7562. Ikram-ul-haq, Muhammad Mohsin Javed, Tehmina Saleem Khan and Zafar Siddiq. 2005. Cotton Saccharifying Activity of Cellulases Produced by Co-culture of Aspergillus niger and Trichoderma viride. Res. J. Agric & Biol. Sci. 1(3):241245. Jakarta. Juhasz, T., K. Kozma, Z. Szengyel, K. Reczey 2003, Production of β-Glucosidase in Mixed Culture of Aspergillus niger BKMF 1305 and Trichoderma reesei RUT C30, Food Technol. Biotechnol. 41 (1) 49–53. Kang S.W., Park Y.S., Lee J.S., Hong S.I., Kim, S.W., 2004, Production of cellulases and hemicellulases by Aspergillus niger KK2 from lignocellulosic biomass, Bioresource Technology, Vol. 91, 153–156 Karimi, K., Emtiazi, G., Taherzadeh, M.J., 2006. Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with
Mucor indicus, Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae. Enzyme Microbiol. Technol. Vol. 40. pp:138–144. Keshwani, D.R. and Cheng, J.J., 2010. Microwave-based alkali pretreatment of switchgrass and coastal bermudagrass for bioethanol production. Biotechnology Program. Vol. 26. pp: 644-652 Klibanov, A. M. 1986. Enzymes that work in organic solvents. Chemtech. 16: 354-144. Kodri, 2013. Pemanfaatan Enzim Selulase Dari Trichoderma Ressei Dan Aspergillus niger Sebagai Katalisator Hidrolisis Enzimatik Jerami Padi Dengan Pretreatment Microwave. Skripsi Jurusan Keteknikan Pertanian, Universitas Brawijaya : Malang Kootstra, A.M.J., Beeftink, H.H, Scott, E.L., Sanders J.P.M., 2009, Optimization of dilute maleic acid pretreatment of wheat straw, Biotechnology for Biofuels, 2(31). Kurniawati, Indah. 2011. Pengaruh pH dan Waktu Terhadap Kadar Gula Reduksi Pada Proses Hidrolisis asam Jerami Padi dengan Diameter Bubuk Jerami 100 Mesh . Skripsi Keteknikan Pertanian. Universitas Brawijaya. Malang Lakitan B. 2004. Dasar-dasar Fisiologi Tumbuhan. PT Raja Grafindo Persada: Jakarta. Lida, T. 1993. Fuel Ethanol Production by Immobilized Yeast and Teast Immobilization. Bioprocess Technology: In: Industrial Application of Immobilized Biocatalysts. New York : Ed. Marcel Dekker. pp. 163-183. Lima, L.R. and Marcondes, A.A. 2002. Alcool Carburante: uma estrategia brasileira. Ed. UFPR, Curitiba. pp:248 Lu, J. and Zhou, P., 2011. Optimal conditions for maximizing production of reducing sugars from microwave-assisted FeCl3 pretreated rice straw degraded by Trichoderma viride and Bacillus pumilus, African Journal of Microbiology Research. Vol. 5(31). pp:5757-5764. Mappiratu dan Nurhaeni. 2009. Penuntun Praktikum Enzim Pangan. Jurusan Kimia Fmipa Universitas Tadulako, Palu. Martins, L.F., D. Kolling, M. Camassola, A.J.P. Dillon, L.P. Ramos (2008),“Comparison of Penicillium echinulatum and Trichoderma reesei Cellulases in Relation to Their Activity Against Various Cellulosic Substrates”, Bioresource Technology, 99, 1417–1424. Meyes, P.A., D.M. Martin, V.W. Rodwell. 1992. Harpers Review of Biochemistry. Lange Medical Publication Meruzen Asia : Singapore. pp: 234-235 Miettinen-Oinonen, A., J. Londesborough, V. Joutsjoki, R. Lantto and J. Vehmaanpera. 2004. Three Cellulases from Melanocarpus albomyces for Texyile Treatment at Neutral pH. Enzyme Microb Tech, 34: 332-341. Nurdyastuti, I. 2009. Teknologi Proses Produksi Bio-etanol, http://d.yimg. com/ kq/ groups/ 3468476/ 658705552/ name/ Bio_Ethanol. pdf. Diakses pada tanggal 12 November 2009. Okamotoa K., Nittaa Y., Maekawab N., Yanasea H. 2011. Direct ethanol production from starch, wheat bran and rice straw by the white rot fungus Trametes hirsuta, Enzyme and Microbial Technology, 48, 273–277. Okunowo, Oluwanisula, 2007,” Quantitation of Alcohol in Wine”African Journal of Biochemistry. Oliveria, M.E.D., Vaughan, B.E. Rykiel, E.J. 2005. Ethanol as fuel: energy, carbon 1239 dioxide balances, and ecological footprint. Biosicience. Vol. 55. pp: 593602.
Orth A.B., D.J. Royse, M. Tien. 1993. Ubiquity of lignindegrading peroxidases among various wood-degrading fungi. J. Appl. Environ Microbiology. Vol. 59. pp: 4017-4023. Prasetyaningsih, E., 2007, “Industri Alkohol” E-Kuliah. Knowledge Collaborative Purwiyatno Hariyadi. 1996. Katalisis Enzimatis Dalam Pelarut Organik. J. Ilmu dan Tek. Pangan, Vol 1 No. 1, hal 52-60 Quintero, J.A., Rincon, L.E., Cardona, C.A. 2011. Production of bioethanol from agroindustrial residues as feedstock, In A. Pandey, C. Larroche, S.C. Ricke, C.G. Dussap, E. Gnansounou (Eds). Biofuels Alternatives Feedstocks and Conversions Processes. Academic Press, London. pp: 251-285. Rachmania, F. dan Lazuardi.2009. Pengaruh Liquid Hot Water terhadap Perubahan Struktur Sel Bagas. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknolohi Industri, Institut Teknologi Sepuluh November. Rahima, Dwira.2010. Makalah Optimasi Produksi Enzim Selulase untuk Hidrolisis Jerami Padi. Kementrian Kesehatan RI. Rikana, H dan Risky. 2010. Pembuatan Bioethanol Dari Singkong Secara Fermentasi Menggunakan Ragi Tape. Skripsi. Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro : Semarang. Rokhmah, I. 2011. Pengaruh Pretreatment (Delignifikasi) Bertekanan terhadap Kandungan Bubuk Jerami Padi Giling pada Produksi Bioetanol. Skripsi. Jurusan Keteknikan Pertanian, Universitas Brawijaya : Malang. Sagar, A.D. and Kartha, S. 2007. Bioenergy and sustainable development. Annual Rev. Environmental Resources. Vol. 32. pp: 131-167. Sharing. Sun, R.C. and Tomkinson, T. Esensial guides for isolation/purification of polysaccharides, In I.D. Wilson, T.R. Adlard, C.F. Poole, M. Cook (Eds). Encyclopedia of Separation Science. Academic Press, London. pp: 4568-4574. Taherzadeh M.J. 1999. Ethanol from Lignocellulose: Physiological Effects of Inhibitors and Fermentation Strategies. [thesis]. Göteborg: Department of Chemical Reaction Engineering, Chalmers University of Technology Taherzadeh, M.J. dan Karimi, K. 2007. Acid-based hydrolysis processes for ethanol fromlignocellulosic materials: a review. Bioresources 2(3), pp. 472-499. Taherzadeh, M.J. dan Karimi, K. 2007. Enzyme-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: a review, 2007, BioResources, Vol. 2, pp. 707738 Ul-Haq, I.; M. M. Javed; T. S. Khan; and Z. Siddiq, 2005, Cotton Saccharifying Activity of Cellulases Produced by Co-culture of Aspergillus niger and Trichoderma Viride. Research Journal of Agriculture and Biological Sciences, 1(3): 241-245. Wahyuningtyas, Puspita. 2012. Studi Pembuatan Enzim Selulase dari mikrofungi Trichoderma ressei dengan Substrat Jerami Padi sebagai katalis Hidrolisis Enzimatik Pada Produksi Bioetanol. Skripsi. Jurusan Keteknikan Pertanian Universitas Brawijaya. Malang. Wang, Y., Gong, C., Sun, J., Gao, H., Zheng, S. and Xu, S. 2010. Separation of ethanol/water azeotrope using compound starch-based absorbents. Bioresour. Tech. Vol. 101. pp: 6170-6176 Watanabe, dan Kyo, 1992, Pervaopration Performance of Hollow Fiber Chitosan Polyacrylonitrile Composite Membrane in Dehydration of Ethanol. Journal of Chemical Engineering of Japan, Vol. 25(1). pp 17-21
Widyastuti, H., Siswanto dan Suharyanto. 2007. Optimasi pertumbuhan dan aktivitas enzim lignolitik Omphalina sp and Pleurotus ostreatus pada fermentasi padat. Menara Perkebunan, 75(2), 93-105. Winarno, F.G., 1984. Hemiselulosa.PT.GramediaPustakaUtama,Jakarta. Yang, B. and Wyman, C.E. 2008. Pretreatment: the key to unlocking lo-cost cellulosic ethanol. Biofuels Biop. Biorefinering Vol. 2. Pp: 26-40 Zhang, Q., He, G., Wang, J., Cai, W., dan Xu, Y., 2009, Two-stage co-hydrolysis of rice straw by Trichoderma reesei ZM4-F3 and Pseudomonas aeruginosa BSZ07, Biomass and Bioenergy, Vol. 33. pp: 1464-1468 Zhu, S., Wu, Y., Zhao, Y., Tu, S., Xue, Y., 2006. Fed-batch simultaneous saccharification and fermentation of microwave/acid/alkali/H2O2 pretreated rice straw for production of ethanol. Chem. Eng. Commun. Vol. 193. pp: 639–648.
