PEMBUATAN BIOETANOL DARI TEPUNG AMPAS TEBU MELALUI PROSES HIDROLISIS TERMAL DAN FERMENTASI: PENGARUH PH, JENIS RAGI DAN WAKTU FERMENTASI
SKRIPSI
Oleh
POPPHY PRAWATI 100405037
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA APRIL 2015
PEMBUATAN BIOETANOL DARI TEPUNG AMPAS TEBU MELALUI PROSES HIDROLISIS TERMAL DAN FERMENTASI: PENGARUH PH, JENIS RAGI DAN WAKTU FERMENTASI
SKRIPSI
Oleh
POPPHY PRAWATI 100405037
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA APRIL 2015
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:
PEMBUATAN BIOETANOL DARI TEPUNG AMPAS TEBU MELALUI PROSES HIDROLISIS TERMAL DAN FERMENTASI: PENGARUH PH, JENIS RAGI DAN WAKTU FERMENTASI
dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.
Medan, April 2015
Popphy Prawati NIM 100405037
ii
iii
iv
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmatNya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul “Pembuatan Bioetanol dari Tepung Ampas Tebu Melalui Proses Hidrolisis Termal dan Fermentasi: Pengaruh pH Fermentasi, Jenis Ragi dan Waktu Fermentasi”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik.
Hasil penelitian ini memiliki kelebihan dalam menangani limbah ampas tebu untuk diolah menjadi bioetanol dan pengembangan proses pembuatan bioetanol yang ekonomis dengan menggunakan proses hidrolisis termal yang hanya menggunakan air sebagai media hidrolisis. Dibandingkan dengan hidrolisis asam maupun enzim, hidrolisis ini dapat menekan biaya produksi etanol dan dapat mengurangi resiko korosi pada peralatan. Selain itu, proses yang sederhana sehingga dapat diterapkan langsung kepada masyarakat untuk menangani masalah krisis energi yang tengah dihadapi saat ini.
Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini penulis banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Dr. Ir. Eng. Irvan, MSi, selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia USU dan sebagai dosen pembimbing penelitian 2. Ibu Dr. Ir. Fatimah, MT, selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia USU. 3. Ibu Dr. Ir. Renita Manurung, MT selaku Koordinator penelitian Jurusan Teknik Kimia USU. 4. Para staf pengajar dan pegawai jurusan Teknik Kimia. 5. Orang tua dan keluarga yang selama ini telah memberikan bantuan baik moril maupun materil bagi penulis. 6. Rekan-rekan mahasiswa jurusan Teknik Kimia khususnya angkatan 2010 yang telah memberikan bantuan sehingga selesainya penulisan skripsi ini.
v
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan masukkan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Medan, April 2015
Penulis Popphy Prawati
vi
DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada : 1. Orangtua tercinta Mulia Tarigan Sibero dan Darni br Sebayang atas cinta kasihnya yang luar biasa serta doa yang tak pernah henti kepada penulis 2. Adik tercinta DM Pahlawan Tarigan dan Elda Apriani Tarigan
yang selalu
mendoakan dan mendukung penulis dalam segala suka dan duka. 3. Darwinton Rumapea atas perhatian dan dukungannya 4. Teman-teman terbaikku di Teknik Kimia, Deril, Lean, Ruben, Margaret, Jekky, Dewi, dan semua stambuk 2010 serta senior-senior yang memberikan banyak dukungan dan semangat kepada penulis. 5. Teman- temanku di kos HARLIM, Desi Padang, Ira, Debora, Ade, Winda, Nomi, Lena, Agnes, Ainy, Bella, Novita, May, Cindy, Martha, dan Monika yang selalu membawa kecerian dan kasih sayang 6. Dr. Ir. Eng. Irvan, Msi selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini. 7. Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, MT dan Ir. Bambang Trisakti, MT yang telah banyak memberikan saran dan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini. 8. Ir. Renita Manurung, MT, selaku Koordinator Skripsi. 9. Ibu Dr. Ir. Fatimah, MT, selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia USU. 10. Dr. Ir. Taslim, MSi sebagai Dosen Pembimbing Akademik. 11. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia yang telah memberikan banyak sekali ilmu yang sangat berharga kepada penulis.
vii
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama
: Popphy Prawati
NIM
: 100405037
Tempat, tanggal lahir
: Jakarta, 11 Maret 1992
Nama orang tua
: Mulia Tarigan/ Darni Sebayang
Alamat orang tua
:
Jalan Kramat Ganceng 55 RT 005/01 Pondok Ranggon Jakarta Timur Asal Sekolah: • SD Negeri 01 Pondok Ranggon tahun 1998-2004 • SMP Negeri 49 Jakarta tahun 2004 – 2007 • SMA Negeri 39 Jakarta tahun 2007 – 2010 Beasiswa yang diperoleh: 1. Beasiswa PPA Tahun 2012/2014 Pengalaman Kerja dan Organisasi: 1. UKM KMK USU UP Teknik sebagai AKK (Anggota Kelompok Kecil) tahun 2010-2013 2. KOMPAS USU sebagai anggota tahun 2011 3. USU Young Rural Envoy sebagai Anggota Luar Biasa tahun 2014 4. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2012/2013 sebagai Bendahara Jurnal yang telah dipubliksikan: 1. Pembuatan Bioetanol Dari Tepung Ampas Tebu Melalui Proses Hidrolisis Termal dan Fermentasi: Pengaruh pH, Jenis Ragi, dan Waktu Fermentasi (Jurnal Teknik Kimia, 2015)
viii
ABSTRAK Bioetanol merupakan etanol yang terbuat dari tanaman yang mengandung pati, gula dan tanaman berselulosa lainnya. Dimana pada penelitian ini menggunakan ampas tebu yang mengandung selulosa yang cukup tinggi sebagai bahan baku. Penelitian ini bertujuan untuk membuat bioetanol dari ampas tebu dengan variasi pH fermentasi, jenis ragi dan waktu fermentasi. Proses utamanya adalah hidrolisis termal dengan metode Liquid Hot Water (LHW); fermentasi dengan menggunakan Saccharomyces cerevisiae; dan pemurnian dengan distilasi vakum. Variabel yang digunakan adalah pH 4; 4,5; dan 5; jenis ragi roti dan tape; dan lama fermentasi 2, 4, 6, 8 dan 10 hari. Dari analisis yang dilakukan terhadap hasil penelitian didapat perolehan bioetanol yang terbaik sebesar 23 mL, dengan densitas sebesar 0,95 g/ml dan nilai kalor sebesar 161,59 kkal/kg, yaitu pada variasi pH 5 dengan waktu fermentasi 4 hari menggunakan ragi roti.
Kata kunci : Ampas tebu, bioetanol, fermentasi, liquid hot water
ix
ABSTRACT Bioethanol is ethanol, which made from starch, glucose, or cellulose of plants. In this research, it has been made from cellulose of sugarcane baggase. This research was conducted to understand about the effect of pH, yeast type and the duration of fermentation to yield’s ethanol. The main process in this research were thermal hydrolysis by Liquid Hot Water (LHW) method; fermentation by using
Saccharomyces cerevisiae; and purification by
vacuum distillation. The variables in this research were pH 4; 4,5; and 5; baker’s yeast and fermented glutinous cassava; and the duration of fermentation were 2, 4, 6, 8 and 10 days. Based on the analysis of the yield conclude that the volume of bioethanol is 23 mL with 0,95 g/ml density and 161,59 kkal/kg heat value, as the best yield. That was the combination between pH 5 and 4 days of the duration of fermentation using baker’s yeast
Key Words : Bioethanol, fermentation, liquid hot water, sugarcane baggase
x
DAFTAR ISI PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
ii
PENGESAHAN
iii
PRAKATA
iv
ABSTRAK
vi
ABSTRACT
vii
DAFTAR ISI
viii
DAFTAR GAMBAR
xi
DAFTAR TABEL
xii
DAFTAR LAMPIRAN
xiii
DAFTAR SINGKATAN
xiv
DAFTAR ISTILAH/ SIMBOL
xv
BAB I
PENDAHULUAN
1
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Perumusan Masalah
4
1.3 Tujuan Penelitian
4
1.4 Manfaat Penelitian
4
1.5 Ruang Lingkup Penelitian
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
7
2.1 Bioetanol (C2H5OH)
7
2.2 Potensi Bioetanol dari Ampas Tebu di Indonesia
9
2.3 Kegunaan Bioetanol
11
2.4 Proses Pembuatan Etanol dari Lignoselulosa
12
2.4.1 Proses Pendahuluan (Pretreatment)
12
2.4.2 Proses Hidrolisis
14
2.4.3 Fermentasi
15
2.4.4 Distilasi
17
2.5 Hal - Hal yang Mempengaruhi Fermentasi
17
2.5.1 pH
17
2.5.2 Nutrien
18
2.5.3 Temperatur
18
2.5.4 Oksigen
18 xi
2.5.5 Lama Fermentasi
19
2.6 Ragi
19
2.6 Analisis Ekonomi
19
BAB III METODE PENELITIAN
21
3.1 Bahan dan Peralatan
21
3.1.1 Bahan Penelitian
21
3.1.2 Peralatan Penelitian dan Analisa
21
3.2 Rancangan Penelitian
21
3.3 Prosedur Penelitian
22
3.3.1 Tahap Preparasi Ampas Tebu
22
3.3.2 Analisa Bahan Baku
22
3.3.2.1 Analisa Lignin dan Selulosa 3.3.3 Proses Hidrolisis dan Fermentasi 3.4 Analisa Kadar Etanol
22 23 23
3.4.1 Analisis Kuantitatif
23
3.4.1.1 Analisis Kadar Etanol 3.5 Flowchart Penelitian
23 23
3.5.1 Tahap Preparasi Ampas Tebu Sebagai Bahan Baku Utama
23
3.5.2 Analisa Lignin dan Selulosa dengan Metode Chesson
24
3.5.3 Fermentasi
25
3.5.4 Penentuan Jumlah Bioetanol
26
3.5.5 Densitas
26
3.5.6 Specific gravity dan API gravity
26
3.5.7 Nilai Kalor
26
3.5.7 Analisis Kadar Bioetanol dengan Metode Berat Jenis
27
BAB VI HASIL DAN PEMBAHASAN
28
4.1 Hasil Analisis Bahan Baku
28
4.1.1 Hasil Analisa Kadar Selulosa dan Lignin Pada Ampas Tebu
28
4.1.2 Hasil Analisa Moisture Content Pada Ampas Tebu
28
4.2 Hasil Analisa Kadar Glukosa Setelah Hidrolisis Termal
29
4.3 Pengaruh Variabel Percobaan Terhadap Kadar Bioetanol Dengan Proses Hidrolisis Termal dan Fermentasi
30
4.3.1 Pengaruh pH Fermentasi Terhadap Kadar Bioetanol
30
4.3.2 Pengaruh Jenis Ragi Terhadap Kadar Bioetanol
31
xii
4.3.3 Pengaruh Waktu Fermentasi Terhadap Kadar Bioetanol
32
4.3.4 Daur ulang vinnasse
34
4.4 Analisa Sifat Bioetanol
35
4.4.1 Densitas
35
4.4.2 Viskositas
36
4.4.3 Nilai Kalor
37
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
38
5.1 Kesimpulan
38
5.2 Saran
38
DAFTAR PUSTAKA
39
LAMPIRAN
47
xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Pertumbuhan Konsumsi Energi
1
Gambar 2.1 Biomassa Lignoselulosa
7
Gambar 2.2 Struktur dasar lignoselulosa a.Selulosa, b.Hemiselulosa, c.Lignin
9
Gambar 2.3 Potensi Biomassa di Indonesia
10
Gambar 2.4 Efek Pretreatment Bahan Lignoselulosa
13
Gambar 3.1
Flowchart Tahap Preparasi Ampas Tebu
23
Gambar 3.2
Flowchart Analisa Lignin dan Selulosa dengan Metode Chesson
24
Gambar 3.3
Flowchart Tahap Proses Fermentasi
25
Gambar 4.1
Alat Pengukur Moisture Content
28
Gambar 4.2
Pengaruh pH Terhadap Kadar Etanol
30
Gambar 4.3
Pengaruh Jenis Ragi Terhadap Kadar Etanol
31
Gambar 4.4
Pengaruh Waktu Fermentasi Terhadap Kadar Bioetanol
32
Gambar 4.5
Variabel Pembanding Waktu Fermentasi
33
Gambar 4.6
Grafik Hubungan Antara Daur Ulang Proses Fermentasi Dengan
Kadar
Etanol yang Dihasilkan Gambar 4.7
34
Grafik Pengaruh Jenis Ragi dan Waktu Terhadap Densitas Bioetanol pada pH 4,5
Gambar 4.8
Gambar 4.9
35
Grafik Pengaruh Jenis Ragi dan Waktu Terhadap Viskositas Bioetanol pada pH 4,5
36
Grafik Pengaruh Nilai Kalor Terhadap Waktu pada pH 4,5
37
Gambar L3.1 Ampas Tebu
50
Gambar L3.2 Hasil Analisa Selulosa dan Lignin Dengan Menggunakan Metode Chesson 50 Gambar L3.3 Hasil Analisa Kadar Glukosa Dengan Spektofotometer Uv-visible
51
Gambar L3.4 Proses Hidrolisis Termal
52
Gambar L3.5 Proses Fermentasi
52
Gambar L3.6 Proses Distilasi
53
xiv
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Penelitian Terdahulu Pembuatan Bioetanol
3
Tabel 2.1 Syarat Mutu Etanol Nabati
9
Tabel 2.2 Komposisi Kimia Ampas Tebu
11
Tabel 2.3 Komposisi Kimia Limbah Agrikultural
11
Tabel 2.4 Market Bioetanol
11
Tabel 2.5 Perbandingan Antara Dua Teknik Fermentasi Utama
16
Tabel 2.6 Efisiensi Penggunaan Ragi Tape Dengan S.Cereviceae Untuk 500 mL Fermentasi Hasil Hidrolisis Ampas Tebu Menjadi Bioetanol
19
Tabel 2.7 Rincian Biaya Pembuatan Bioetanol dari Ampas Tebu
20
Tabel 3.1 Rancangan Penelitian
22
Tabel 3.2 Konversi Berat Jenis- Kadar Etanol
27
Tabel 4.1 Hasil Analisa Glukosa Dari Ampas Tebu Dengan Spektrofotometer Uv-vis
29
Tabel L1.1 Hasil Analisis Kadar Etanol
47
xv
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1
Lampiran 2
Lampiran 3
Data Penelitian
47
L1.1 Data Hasil Penelitian
47
Contoh Perhitungan
48
L2.1 Contoh Perhitungan Densitas Bioetanol
48
L2.2 Contoh Perhitungan Kadar Bioetanol Berdasarkan Densitas
48
L2.3 Contoh Perhitungan Specific gravity dan API gravity
48
L2.4 Contoh Perhitungan Nilai Kalor Bioetanol
49
Dokumentasi Penelitian
50
L3.1 Foto Bahan Baku Tepung Ampas Tebu
50
L3.2 Foto Analisa Selulosa Dan Lignin
50
L3.3 Foto Analisa Kadar Glukosa Dengan Spektrofotometer Uv-visible
51
L3.4 Foto Proses Hidrolisis Termal
52
L3.5 Foto Fermentasi
52
L3.6 Foto Proses Distilasi
53
xvi
DAFTAR SINGKATAN API
American Petroleum Institute
CBP
Consolidated Bioprocessing
CF
Co-Fermentation
Dkk
Dan kawan-kawan
LHW
Liquid Hot Water
M BOE
Million Barrel Oil Equivalent
NK
Nilai Kalor
Rpm
Rotary per minute
Sg
Specific gravity
SHF
Separate Hydrolysis Fermentation
SNI
Standar Nasional Indonesia
SSF
Simultaneous Saccharification Fermentation
SSCF
Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation
xvii
DAFTAR SIMBOL Simbol
Keterangan
Dimensi
T
Suhu
o
N
Normalitas larutan NaOH
N
V
Volume larutan NaOH terpakai
ml
M
Berat molekul
gr/mol
W
Berat sampel
g
Ρ
Massa jenis
kg/m3
C
xviii
