PENGARUH PERLAKUAN AWAL BIOMASA JERAMI PADI UNTUK MERECOVERI GULA REDUKSI DENGAN METODE HIDROLISA SECARA ENZIMATIS
Harunsyah dan Ridwan Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Lhokseumawe, 42300 Aceh-Indonesia E-mail :
[email protected]
ABSTRAK Perkembangan kebutuhan energi dunia yang dinamis di tengah semakin terbatasnya cadangan energi fosil serta kepedulian terhadap kelestarian lingkungan hidup, menyebabkan perhatian terhadap energi terbarukan semakin meningkat, terutama terhadap sumber-sumber energi terbarukan dari sektor pertanian. Hampir seluruh komoditas budidaya di sektor pertanian dapat menghasilkan biomassa, sebagai sumber bahan yang dapat diubah menjadi energi terbarukan. Salah satunya biomassa jerami padi yang mengandung lignoselulosa yang bisa dimanfaatkan sebagai bahan dasar pembuatan bioetanol. Jerami padi ini dipilih sebagai bahan dasar pembuatan bioetanol, pertama karena tidak berkompetisi terhadap kebutuhan pangan yang berimbas pada ketahanan pangan (food security) sehingga biaya yang diperlukan untuk produksi bioetanol menjadi lebih murah. Metode penelitian yang digunakan adalah metode hidrolisa enzimatik (hidrolisa enzyme) dengan memperlakukan pretreatment dengan maksud untuk optimasi proses dari lignoselulosa untuk merecovery gula lebih optimal. Tujuan penelitian adalah untuk melihat pengaruh perlakuan awal dan menentukan kondisi optimum reaksi hidrolisa selulosa menjadi glukosa pada serbuk jerami padi menggunakan enzime selulose. Kegiatan yang akan dilakukan meliputi: pengecilan ukuran jerami padi, optimisasi parameter- parameter proses hidrolisa sellulosa menjadi glukosa, Hasil penelitian menunjukkan kandungan hemiselulosa pada jerami padi merupakan polisakarida yang dapat dihidrolisis oleh enzim selulosa. Beberapa parameter yang dianalisis pada penelitian ini antara lain kondisi pH (4, 5, dan 6) dengan waktu hidrolisa selama 2, 3, 4, 5, dan 6 jam dan ukuran serbuk jerami padi 20, 40 dan 60 mesh. Perlakuan dengan pH 4, ,5 dan 6 menghasilkan konsentrasi gula reduksi tertinggi pada pH 5 dan ukuran serbuk jerami padi 20 mesh dengan waktu sekitar 5 sampai 6 jam.
Kata Kunci: Biomassa Serbuk Jerami Padi, Lignoselulose, Hidrolisa Enzimatik
PENDAHULUAN Bahan dasar untuk produksi bioetanol yang semakin berkembang saat ini adalah lignoselulosa yang merupakan biomassa limbah dari hasil pertanian, perkebunan dan kehutanan yang ketersediaannya sangat melimpah di Indonesia. Bahan ini sangat cocok
untuk dikembangkan sebagai bahan dasar industri bioetanol di Indonesia, yang mempunyai lahan hutan, pertanian, dan perkebunan yang luas, sehingga memiliki potensi besar sebagai penghasil k;abahan dasar industri bioetanol. Teknologi bioethanol terus berevolusi. Saat ini teknologi ethanol dari gula dan pati sudah sangat mapan. Bioethanol dari selulosa adalah pengembangan dari teknologi yang sudah ada. Teknologi yang sekarang dikembangkan umumnya untuk industri besar, untuk skala kecil masih belum tersedia. Jadi ada dua tahapan yang perlu dikembangkan dalam skala kecil: pretreatment dan hidrolisis. Metode pretreatment bahan lignoselulosa sekarang ini mengonsumsi 30-40% biaya total untuk produksi bioetanol. Hidrolisa keluaran tahap pretreatment direaksikan dengan enzim untuk memecah selulosa dan hemiselulosa menjadi heksosa dan pentosa sehingga dapat di fermentasi mejadi etanol. Mewujudkan agar teknik pretreatment dan hidrolisis menjadi sederhana dan bisa dilakukan oleh semua orang ternyata tidak mudah. Inilah tantangannya. Memang tidak mudah, tetapi bukan tidak mungkin. Untuk pretreatment misalnya, harus dicari bahan yang murah dan banyak tersedia di sekitar masyarakat. Kemudian dicari cara-nya bagaimana agar mudah dan murah. Setelah itu dicari juga peralatan yang paling efisien, tetapi tetap murah dan mudah. Dalam penelitian ini dipakai biomassa berupa jerami padi sebagai bahan dasar bioetanol yang merupakan penghasil lignoselulosa. Material berbasis lignoselulosa (lignocellulosic material) memiliki substrat yang cukup kompleks. Lignoselulosa mengandung tiga komponen penyusun utama, yaitu selulosa (30-50%-berat), hemiselulosa (15-35%-berat), dan lignin (13-30%-berat), dan senyawa organik lainnya. Bagian terpenting dan yang terbanyak dalam lignocellulosic material adalah polisakarida khususnya selulosa yang terbungkus oleh lignin dengan ikatan yang cukup kuat. Dalam kaitan konversi biomassa seperti jerami padi menjadi etanol, bagian yang terpenting adalah polisakarida. Karena polisakarida tersebut yang akan dihidrolisis menjadi monosakarida seperti glukosa, sukrosa, xilosa, arabinosa dan lain-lain sebelum dikonversi menjadi etanol. Jerami padi ini dipilih sebagai bahan dasar pembuatan bioetanol, pertama karena tidak berkompetisi terhadap kebutuhan pangan sehingga kekuatiran akan ketahan pangan bisa dihindari lagipula biaya yang diperlukan untuk produksi bioetanol menjadi lebih murah. Kedua limbah jerami padi ini juga menimbulkan masalah penanganannya yang selama ini dibiarkan membusuk, ditumpuk dan dibakar yang kesemuanya berdampak negatif terhadap lingkungan sehingga penanggulangannya perlu dipikirkan.
Salah satu jalan yang dapat ditempuh adalah memanfaatkannya menjadi produk yang bernilai tambah. . Tujuan penelitian adalah untuk mengoptimasi kondisi operasi setelah mengkaji dan menentukan kondisi optimum reaksi hidrolisa selulosa menjadi glukosa pada jerami padi padi menggunakan enzime selulose untuk produksi bioetanol. Kegiatan yang akan dilakukan meliputi: perancangan (pengecilan berbagai ukuran disertai dengan pengkukusan) dan pabrikasi fresto (untuk steamer), optimisasi parameter- parameter proses hidrolisa sellulosa menjadi glukosa. TINJAUAN PUSTAKA Jerami adalah tanaman padi yang telah diambil buahnya (gabahnya), sehingga tinggal batang dan daunnya yang merupakan limbah pertanian terbesar serta belum sepenuhnya dimanfaatkan karena adanya faktor teknis dan ekonomis. Pada sebagian petani, jerami sering digunakan sebagai mulsa pada saat menanam palawija. Hanya sebagian kecil petani menggunakan jerami sebagai pakan ternak alternatif di kala musim kering karena sulitnya mendapatkan hijauan. Di lain pihak jerami sebagai limbah pertanian, sering menjadi permasalahan bagi petani, sehingga sering di bakar untuk mengatasi masalah tersebut. Produksi jerami padi dapat mencapai 12 - 15 ton per hektar per panen, bervariasi tergantung pada lokasi dan jenis varietas tanaman padi yang digunakan. Biomassa berselulosa terbentuk dari tiga komponen utama yakni selulosa, hemiselulosa dan lignin. Selulosa merupakan komponen utama yang terkandung dalam dinding sel tumbuhan dan mendominasi hingga 50% berat kering tumbuhan. Jerami padi diketahui memiliki kandungan selulosa yang tinggi, mencapai 34.2% berat kering, 24.5% hemiselulosa dan kandungan lignin hingga 23.4%. Komposisi kimia limbah pertanian maupun limbah kayu tergantung pada spesies tanaman, umur tanaman, kondisi lingkungan tempat tumbuh dan langkah pemprosesan. Perbandingan komposisi kimia beberapa biomassa disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi kimia berbagai biomassa Biomassa
Selulosa(% b/b)
Hemiselulosa (% b/b)
Lignin (% b/b)
Kayu poplar
49.9
20.4
18.1
Jerami padi
34.2
24.5
23.4
Switchgrass
31.0
24.4
17.6
Sumber Wyman dkk, 1996
Jerami padi merupakan bahan rumput-rumputan utama yang dipakai untuk energi akhir-akhir ini. Sama seperti tanaman rumput-rumputan yang lain, jerami padi biasanya mempunyai kandungan kadar air yang lebih rendah dari pada biomassa berkayu. Sebaliknya jerami padi mepunyai nilai kalor, densitas dan titik leleh abu yang lebih rendah, dan kandungan abu, klorin, kalium dan sulfur yang lebih tinggi. Kalium dan klorin dapat direduksi dengan mudah dengan membiarkan jerami di ladang, saat turun hujan sejumlah besar kalium dan klorin akan tercuci oleh air hujan. Alternatifr yang lain, jerami padi yang masih baru dapat langsung dicuci pada temperatur sedang (50-60 C). karena pencucian, kandungan air pada jerami akan menjadi sangat besar sehingga diperlukan pengeringan setelah proses pencucian.
a) Lignoselulosa Lignoselulosa merupakan komponen utama tanaman yang menggambarkan jumlah sumber bahan organik yang dapat diperbaharui. Lignoselulosa mengandung tiga komponen penyusun utama, yaitu selulosa (30-50%-berat), hemiselulosa (15-35%berat), dan lignin (13-30%-berat) dan beberapa bahan ekstraktif lain. Semua komponen lignoselulosa terdapat pada dinding sel tanaman. Susunan dinding sel tanaman terdiri dari lamela tengah, dinding primer serta dinding sekunder yang terbentuk selama pertumbuhan dan pendewasaan sel yang terdiri dari lamela transisi, dinding sekunder utama dan dinding sekunder bagian dalam.
b) Selulosa Selulosa merupakan senyawa organik yang paling banyak di alam, karena struktur bahan seluruh tumbuhan terdiri atas sebagian besar selulosa. Suatu jaringan yang terdiri atas beberapa lapis serat selulosa adalah unsur penguat utama dinding sel tumbuhan. Selulosa merupakan senyawa polisakarida yang mempunyai rumus (C6H10O5)n dimana n berkisar dari 2000 sampai 3000, selulosa terdapat dalam tanaman sebagi komponen penyusun dinding sel. Sifat – sifat selulosa adalah : a) Tidak berwarna
b) Tidak larut dalam air dan alkali c) Hidrolisa sempurna dalam suasana asam menghasilkan glukosa d) Hidrolisa tak sempurna menghasilkan maltosa.
c) Hemiselulosa Nama hemiselulosa pertama kali diusulkan oleh Schulzz pada tahun 1981 untuk menunjukkan polisakarida yang dapat di saring atau dapat diekstraksi sebagai larutan alkali, hemiselulosa mudah di ekstraksi dari serat – sert dan kayu dengan larutan alkali. Hemiselulosa termasuk polisakarida yang terdapat brsama-sama dengan selulosa, bila di hidrolisa menghasilkan bermacam – macam sakarida seperti hektosa dan pentosa. Sifat – sifat dari hemiselulosa : a) Larut dalam alkali encer dan air panas b) Terhidrolisa oleh asam encer membentuk pentosa dan hektosa
c) Lignin Lignin adalah polimer yang komplek dengan berat molekul tinggi dan tersusun atas limit – limit propan, meskipun tersusun atas karbon, hydrogen dan oksida, tetapi lignin bukanlah karbohidrat. Lignin terdapat diantara sel – sel dan didalam dinding sel, lignin berfungsi sebagai pengikat untuk sel secara bersama – sama. Lignin yang terdapat didalam dinding sel sangat erat hubungannya dengan selulosa yang berfungsi untuk memberikan ketegaran pada sel, lignin juga tidak larut dalam air. Lignin merupakan bahan yang tidak berwarna didalam tumbuh – tumbuhan, jika lignin bersentuhan dengan udara terutama dengan adanya sinar matahari, maka lama – kelamaan lignin cenderung menjadi kuning, karenannya kertas koran yang terbuat dari serat – serat yang dipisahkan secara mekanis tanpa bahan kimia, tidak bertahan lama karena cenderung menjadi kuning.
METODE PENELITIAN Dalam membuat rancangan percobaan ada beberapa variabel yang menjadi pertimbangan seperti variabel tetap dan variabel bebas. Oleh karena itu sebelum penelitian perlu dilakukan penelitian pendahuluan untuk menetapkan kondisi yang optimum agar pekerjaan lebih efisien. Setelah itu baru dilakukan penelitian utama dengan menetapkan beberapa perlakuan (variabel) terhadap jerami padi. Untuk analisa
data dilakukan dengan metode grafik sederhana untuk melihat pengaruh dari beberapa kondisi yang telah ditetapkan dalam variabel. Pada variable tetap ini ditetapkan jumlah ratio serbuk jerami padi-air, jenis enzyme selulosa, temperatur hidrolisis, derajat keasaman pH (disesuaikan dengan kondisi kerja enzyme) ini semua didapatkan setelah dilakukan penelitian awal sebagai pebanding. Variabel-variabel percobaan dalam reaksi hidrolisa selulosa secara enzimatis adalah rasio enzime-subtrat, ratio serbuk jerami padi-air, pH reaksi dan waktu reaksi, jenis enzyme selulosa, temperatur hidrolisis dibuat tetap, (disesuaikan dengan kondisi kerja enzyme) ini semua didapatkan setelah dilakukan penelitian pendahuluan dengan perlakuan meliputi variasi waktu hidrolisa 2 jam, 3 jam, 4 jam, 5 jam dan 6 jam dengan temperature hidrolisa yang sekitar lebih kurang pada temperatur 125 OC pada pH hidrolisis 4, 5 dan 6 dengan menggunakan buffer posfat. Setelah didapatkan kondisi optimum untuk hidrolisis kemudian jerami padi dikenakan perlakuan awal (pretreatment) berupa pengecilkan ukuran 20, 40 dan 60 mesh kemudian dipanaskan dengan uap panas bertekanan selama 95 menit dalam presto. Untuk variabel ini dianalisa semua yang berkenaan dengan pembuktian bahwa produk yang dihasilkan adalah berupa gula reduksi dan termasuk konsentrasi gula reduksi yang terbentuk atu yang diperoleh. Kadar gula yang dihasilkan dari proses hidrolisa ditentukan dengan metode Nelson-Samogyi. HASIL DAN PEMBHASAN Pengaruh Variasi Ukuran Substrat Serbuk Jerami Padi Sebelum dihidrolisis secara enzimatic, bahan yang berlignoselulose yaitu serbuk jerami padi terlebih dahulu dikeringkan, dikecilkan ukuran dengan menggunakan cruser dengan ukuran 20, 40 dan 60 mesh dan dipanaskan dengan uap panas (steam) bertekanan selama 90 menit pada temperatur 190-220
O
C secara terpisah. Untuk
mengetahui ukuran substrat yang optimum maka dilakukan hidrolisis secara enzymatic pada suhu 125 OC untuk semua substrat serbuk gergaji pada setiap ukuran. Ukuran partikel substrat pada hidrolysis enzymatic ini menggunakan 3 taraf, yakni 20 mesh, 40 mesh, dan 60 mesh.
Tabel. Pengaruh variasi ukuran terhadap konsentrasi gula ( ppm ) NO
Waktu Hidrolisa
Ukuran Jerami Padi
2 jam
3 jam
4 jam
5 jam
6 jam
570
1046
1175
1100
1140
2
Random Non Pretreatment 20 mesh
1610
1700
1760
1850
1820
3
40 mesh
1390
1595
1575
1610
1600
4
60 mesh
1030
1269
1310
1454
1480
1
Konsentrasi Gula Reduksi (ppm)
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 Random
600
Size=20 mesh
400
Size=40 mesh Size=60 mesh
200 0 2
3
4
5
6
Waktu Hidrolisa (jam)
Gambar. Pengaruh variasi ukuran terhadap konsentrasi gula reduksi
Hidrolisis pada serbuk jerami padi setelah yang memiliki ukuran 20 mesh, laju pembentukan konsentrasi gula yang diperoleh pada jam ke-2 mulai terbentuk sebesar 1610 ppm. Laju pembentukan terus meningkat sampai jam ke-5 lebih besar yakni 1850 ppm. Hingga jam ke-6 jumlah konsentrasi gula yang terbentuk sedikit mulai berkurang tidak sicnificant atau memiliki kecendrungan agak menurun sedikit. Itu bermakna waktu hidrolisa yang optimum hanya sampai batas antara jam ke-5 sampai jam ke-6. Hidrolisis pada serbuk jerami padi yang memiliki ukuran 40 mesh, laju pembentukan konsentrasi gula yang diperoleh pada mulai jam ke-2 mulai terbentuk sebesar 1390 ppm. Laju pembentukan terus meningkat sampai jam ke-5 lebih besar yakni 1610 ppm. Hingga jam ke-6 jumlah gula menampakan kecendrungan mulai konstan. Itu bermakna waktu hidrolisa optimum mulai nampak pada batas jam ke-5.
Hidrolisis pada serbuk jerami padi yang memiliki ukuran 60 mesh, laju pembentukan konsentrasi gula reduksi yang diperoleh pada jam ke-2 memperlihatkan turun yakni sebesar 1030 ppm bila dibandingkan dengan ukuran 20 mesh dan 40 mesh. Namun laju pembentukan terus meningkat sampai jam ke-5 lebih besar yakni 1100 ppm. Hingga jam ke-6 jumlah konsentrasi gula menampakan kecendrungan agak naik sedikit. Itu bermakna waktu hidrolisa jerami padi setelah memdapat perlakuan awal yang optimum mulai terbentu nampak pada batas jam ke-5, meskipun pada jam ke-6 cendrung naik. Dari trend grafik dapat dibandingkan jumlah konsentrasi gula reduksi yang terbentuk diperlihatkan bahwasanya laju pembentukan konsentrasi gula reduksi setelah mendapatkan perlakuan awal atau pretreatmen sangat berpengaruh sekali. Tetapi bila dilihat pada ukuran substrat jerami padi hanya antara 20 mesh dengan 40 mesh yang paling tinggi konsentrasi gula yang diperoleh. Perolehan konsentrasi gula reduksi yang turun begitu draktis menunjukan bahwasanya pengecilan ukuran partikel serbuk jerami padi juga akan menyebabkan semakin banyak terjadinya pengendapan. Sementara pemanasan oleh uap panas juga mampu memecahkan dinding sel lignin pada sebuk gergaji yang merupakan faktor penghambat pada proses hidrolisa atau pembentukan gula reduksi pada tahap hidrolisisi. Dengan adanya pemanasan uap ini akan sangat membantu sekali enzime untuk dapat mengdegradasi atau memecah senyawa polymer polisakarida menjadi monomer gula (senyawa organik berantai pendek). Disamping itu juga dapat mengurangi jumlah enzim yang digunakan dalam proses hidrolisis.
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Dari beberapa variabel proses yang dilakukan pada penelitian ini ada beberapa hal yang sangat berpengaruh baik pada tahap hidrolisa yang bisa diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Konsentrasi gula reduksi yang diperoleh setelah mendapat perlakuan awal atau treatment mengalami kenaikan sekitar antara 200% sampai 250% 2. Perubahan perolehan konsentrasi gula reduksi setelah mendapatan perlakuan awal begitu besar pengaruhnya itu menandakan perlakuan awal memang dapat meningkatkan konsentrasi gula reduksi.
Saran Produksi gula reduksi untuk bahan baku bioetanol dari biomassa serbuk jerami padi secara enzimatik sangat prospektif dan menjajikan. Oleh karenanya, perlu studi lebih lanjut guna mendapatkan data-data teknis yang digunakan untuk produksi gula reduksi sebagai bahan baku bioetanol secara komersial dari biomassa berbasis selulosa. DAFTAR PUSTAKA 1. Apriantono, A., D. Fardiaz, N.L. Puspitasari, Sedarnawati, dan S. Budiyanto. 1989. Petunjuk Laboratorium Analisis Pangan. Bogor: Departemen Pendidikan dan Kebudayaan, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Pusat Antar Universitas Pangan dan Gizi Institut Pertanian Bogor. 2. Balai Besar Teknologi Pati-BPPT, Kelayakan Tekno-Ekonomi Bio-Ethanol Sebagai Bahan Bakar Alternatif Terbarukan, 27 Januari 2005. 3. Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, Blue Print Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025, Pola Pikir Pengelolaan Energi Nasional, 2005. 4. Kadam, K.L, L.H. Forrest, and W.A. Jacobson. 2000. Rice straw as lignocellulosic resource collection, processing, transportation, and environmental aspects. Biomass Bioenergy, 8: 369-389. 5. Patel, S.J., R. Onkarappa, and K.S. Shobha. 2007. Study of ethanol production from fungal pretreated wheat and rice straw. The Internet Journal of Microbiology 4 (1): www.ispub.com 6. Wyman CE,2002, “Potential Synergies and Challenges in Refining Cellulosic Biomass to Fuels” Biotechnol Progress. 7. Lynd, L.R., Bothast, R.J., Wyman, D.E. 1991. Fuel etanol from cellulosic biomass. Science 251: 1318-1323. 8. Wyman, C.E., 1994. Etanol from ligcellulosic biomass: Technology, economics, and opportunities. Biores. Technol. 50, 3-6. 9. Pandey,A. Soccol,C.R. Nigam,P. And Soccol,V.T. 2000. Biotechnological potential of agro-indistrial residues. Sugarcane bagasse. Bioresour Technol. 74: 69-80.
