PENGHILANGAN LIGNIN PADA JERAMI DENGAN MENGGUNAKAN CAMPURAN SODIUM HIDROKSIDA DAN AMMONIUM HIDROKSIDA UNTUK MENDAPATKAN GLUKOSA SEBAGAI BAHAN BAKU BIOETANOL Ayu Putri Ramadhani, Nisa Nilam Sari, Munas Martynis, Reni Desmiarti Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta *e-mail:
[email protected] Abstract Pretreatment is one of the important steps in bioconversion of lignocellulosic biomass to produce bioethanol. Pretreatment, called by delignification process, is needed to remove lignin content from biomass and therefore enhance the productivity of bioethanol conversion. Many researchers were trying to have a better method for delignification by using many chemical solutions in various conditions, such as NaOH, Ca(OH)2, NH4OH, etc. In this study, delignification was carried out in mixture solution from ammonia and sodium hydroxide at a mild condition (25 oC, 24 hour, and 1 atm) for various reagent of pretreatment. Rice straw was used as a potential lignocellulosic biomass in Indonesia, which is mainly consisting of 33 wt% cellulose, 26 wt% hemicelluloses, and 18 wt% lignin, respectively. The results indicate that about 52 wt% lignin was removed with the mix solution. The sodium hydroxide and ammonium hydroxide mixture solution shown the better result for delignification process compare to use them separately. Abstrak Pretreatment (pengolahan awal) merupakan salah satu langkah penting dalam biokonversi biomassa lignoselulosa untuk menghasilkan bioetanol. Pengolahan awal atau proses delignifikasi, diperlukan untuk menghilangkan lignin dari biomassa sehingga meningkatkan produktivitas konversi bioetanol. Banyak peneliti mencoba beberapa metode yang lebih baik untuk delignifikasi dengan menggunakan berbagai larutan kimia berbasis basa dalam berbagai kondisi, seperti NaOH, Ca(OH)2, NH4OH, dan jenis-jenis basa lainnya. Dalam penelitian ini, delignifikasi dilakukan dengan menggunakan campuran ammonium hidroksida dan natrium hidroksida pada kondisi ringan (25oC, 24 jam, dan 1 atm) untuk berbagai rasio reagen pretreatment. Jerami padi digunakan sebagai biomassa lignoselulosa yang berpotensi di Indonesia, yang terdiri dari selulosa 33% (berat), hemiselulosa 26% (berat), dan lignin 18% (berat). Hasil penelitian menunjukkan bahwa sekitar 52% berat lignin dapat dihilangkan dengan menggunakan larutan campuran ammonium hidroksida dan natrium hidroksida dengan perbandingan rasio 1:1. Selanjutnya, keberhasilan pengolahan awal ini juga dapat dianalisis melalui peningkatan ketercernaan selulosa oleh enzim pada proses lanjutan (proses sakarifikasi/hidrolisis). Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin banyak lignin yang hilang pada proses pengolahan awal dapat mempengaruhi derajat ketercernaan enzim. Pada pengolahan awal dengan menggunakan larutan campuran ammonium hidroksida dan natrium hidroksida dengan perbandingan rasio 1:1, besarnya perolehan glukosa hasil sakarifikasi adalah sebesar 462 mg/dL. Hasil ini jauh diatas hasil yang diperoleh jika menggunakan air saja (92 mg/dL), NaOH saja (320 mg/dL), dan ammonium hidroksida saja (360 mg/dL). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa penggunaan larutan campuran ammonium hidroksida dan NaOH menunjukkan hasil yang lebih baik untuk proses delignifikasi dan meningkatkan perolehan glukosa dibandingkan dengan menggunakan masing-masing larutan secara terpisah. Keyword: proses delignifikasi, jerami padi, bioetanol, kondisi ringan, campuran larutan.
1
dengan HCl (Hsu et al, 2010;.. Saha et al, 2005); natrium hidroksida dan kapur (Kaar dan Holtzapple, 2000; Kim dan Holtzapple, 2005); atau ammonium hidroksida cair (Jung et al, 2011;.. Salvi et al, 2010).
Pendahuluan Salah satu bahan baku biomassa lignoselulosa yang berpotensi dan tersedia untuk produksi bioetanol adalah jerami padi. Data BPS Indonesia menunjukkan perolehan jerami padi adalah sekitar 77 juta ton hasil panen padi setiap tahun. Ini akan menghasilkan 77-115.000.000 ton jerami padi. Jerami padi belum digunakan secara luas sebagai produk yang bermanfaat, seperti sumber energi. Hal ini dapat menyebabkan pencemaran lingkungan (polusi air dan polusi udara) dan akibatnya mempengaruhi kesehatan masyarakat. Sebagai biomassa lignoselulosa, jerami padi mengandung sekitar 32-47% selulosa, 19 - 27% hemiselulosa, dan 5-24% lignin (Saha, 2003). Selulosa dan hemiselulosa (dikenal dengan komponen karbohidrat) dapat dihidrolisis menjadi gula sederhana, dan kemudian difermentasi menjadi bioetanol oleh mikroorganisme.
Hipotesis penelitian ini adalah bahwa lignin yang terkandung dalam jerami padi akan lebih mudah larut dalam larutan campuran antara NaOH dan ammonium hidroksida (NH4OH), akan meningkatkan efek dari pretreatment yang dibandingkan dengan larutan ammonium hidroksida, Natrium hidroksida, dan air pada suhu kamar. Hasil ini juga bertujuan untuk mengetahui pengaruh kombinasi sinergis ketika menggunakan campuran Natrium hidroksida - ammonium hidroksida untuk mengetahui berapa rasio campuran basa paling baik yang diperoleh pada proses pretreatment. Material Jerami padi dipasok dari usaha tani padi di Padang Pariaman, Sumatera Barat. Jerami padi tersebut dipotong acak sepanjang 1 cm, dicuci, dan dikeringkan dalam oven pada suhu 40oC selama 24 jam untuk mencapai kadar air dari 5 - 10% berat. Bahan yang telah kering disimpan di kantong plastik dan disimpan pada suhu kamar.
Kemungkinan proses untuk memanfaatkan biomassa lignoselulosa menjadi etanol adalah konversi biologis (biokonversi), yang merupakan enzim dan mikroorganisme digunakan sebagai reagen. Derajat ketercernaan biomassa lignoselulosa terhadap enzimatik hidrolisis atau fermentasi proses disebabkan oleh lignin mungkin mencakup rantai komponen karbohidrat lanjut mengurangi aksesibilitas mereka untuk enzim dan mikroorganisme, bersama-sama dengan kristalinitas tinggi selulosa (Kim dan Lee, 2006). Oleh karena itu, langkah pretreatment diperlukan untuk mengubah struktur mikroskopis dan makroskopis bahan serta komposisi kimia, sehingga konversi enzimatik menjadi gula monomer dapat dilakukan lebih cepat dengan hasil yang lebih besar (Mosier et al., 2005). Beberapa penelitian mendukung pretreatments kimia seperti pengobatan
Cara Kerja 20 gram jerami padi direndam dalam campuran 0,1 M NaOH - NH4OH 5% dengan variasi rasio reagen pretreatment pada kondisi kamar. 0,1 M NaOH, air, dan NH4OH 5% digunakan sebagai delignifikasi reagen yang sama sebagai campuran untuk melihat perbandingan antara campuran basa dan asam. Ketika waktu delignifikasi tercapai, sampel disaring dan dicuci dengan air sampai pH normal (± 7) dapat dicapai. Jerami padi 2
yang diolah kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 40oC selama 24 jam. Bahan kering disimpan di kantong plastik dan disimpan pada suhu kamar.
dibandingkan dengan perendaman menggunakan larutan basa kuat NaOH (1,52 gram). Hal ini sesuai dengan hasil peneliti yang terdahulu (Kim dan Lee, 2007). Ternyata pada pencampuran yang seimbang ( 1 : 1)antara kedua basa ini dapat memberikan hasil yang lebih tinggi dibandingkan dengan pemakaian masingmasing basa kuat atau basa lemah saja.
Pembahasan Grafik hubungan ini dapat dilihat pada Gambar 1:
Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagi berikut : 1. Proses penghilangan lignin yang paling optimal terdapat pada reagen pretreatment campuran NaOH : NH4OH (1:1) dengan persentase 52,62% 2. Proses hidrolisis yang paling optimal terdapat pada reagen pretreatment campuran NaOH : NH4OH (1:1) yang mampu menghasilkan 4,62 mg/ml glukosa 3. Semakin banyak lignin yang hilang pada proses delignifikasi maka semakin banyak pula glukosa yang dihasilkan pada proses hidrolisis.
Gambar 1 Hubungan antara lignin yang hilang terhadap reagen pretreatment
Berdasarkan Gambar 1 grafik hubungan antara Lignin yang hilang terahadap reagen preatreatment dapat disimpulkan bahwa pada perlakuan 1 dengan menggunakan pelarut 200 ml aquades diperoleh kadar lignin yang hilang terendah yaitu 22,08 %. Sementara pada perlakuan 2 (pelarut 67 ml NaOH dan 133 ml NH4OH) kadar lignin yang hilang mengalami peningkatan menjadi 35,74 %. Pada perlakuan 3 (pelarut 200 ml NaOH) kadar lignin yang hilang menjadi 42,12 %. Dengan pelarut 133 ml NaOH (perlakuan 4) dan 67 ml NH4OH kadar lignin yang semakin meningkat menjadi 46,37 %. Sementara dengan perlakuan 5 ( pelarut 200 ml NH4OH) kadar lignin yang hilang menjadi 47,33 % dan dengan pelarut 100 ml NaOH dan 100 ml NH4OH (perlakuan 6) kadar lignin yang hilang paling tinggi diantara perlakuan lainnya yaitu 52,62 %. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan perendaman dengan larutan basa lemah NH4OH dapat menghilangkan lignin sebanyak 1,7053 gram, lebih banyak
Daftar Pustaka Jung Y.H., Kim I.J., Kim J.J., Oh K.K., Han J.-I., Choi I.-G., Kim K.H. (2011) Ethanol Production from Oil Palm Trunks Treated with Aqueous Ammonia and Cellulase. Bioresource Technology 102:7307 - 7312. Kaar W.E., Holtzapple M.T. (2000) Using Lime Pretreatment to Facilitate The Enzymic Hydrolysis of Corn Stover. Biomass and Bioenergy 18:189 - 199. Kim S., Holtzapple M.T. (2005) Lime Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis of Corn Stover. 3
Bioresource Technology 96:1994 2006. Kim T.H., Lee Y.Y. (2006) Fractionation of Corn Stover by Hot-water and Aqueous Ammonia Treatment. Bioresource Technology 97:224 232. Mosier N., Wyman C., Dale B., Elander R., Lee Y.Y., Holtzapple M., Ladisch M. (2005) Features of Promising Technologies for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass. Bioresource Technology 96:673-686 Saha B.C. (2003) Hemicellulose Bioconversion. Industrial Microbiology and Biotechnology 30:279 - 291. Saha B.C., Iten L.B., Cotta M.A., Wu Y.V. (2005 ) Dilute Acid Pretreatment, Enzymatic Saccharification, and Fermentation of Rice Hulls to Ethanol. Biotechnology Progress 21:816 - 822. Salvi D.A., Aita G.M., Robert D., Bazan V. (2010) Dilute Ammonia Pretreatment of Sorghum and Its Effectiveness on Enzyme Hydrolysis and Ethanol Production. Applied Biochemistry and Biotechnology 161:67 - 74.
4
JURNAL PENELITIAN PENGHILANGAN LIGNIN PADA JERAMI DENGAN MENGGUNAKAN CAMPURAN SODIUM HIDROKSIDA DAN AMMONIUM HIDROKSIDA UNTUK MENDAPATKAN GLUKOSA SEBAGAI BAHAN BAKU BIOETANOL
Padang,
Desember 2015
Mengetahui,
Pembimbing 1
Pembimbing II
(Dra. Munas Martynis, M.si)
(Dr. Eng Reni Desmiarti, S.T, M.T)
5
