PENGEMBANGAN ALTERNATIF TEKNOLOGI BIOPROSES PEMBUATAN BIOETANOL DARI UBI KAYU MENGGUNAKAN Trichoderma viride, Aspergillus niger DAN Saccharomyces cerevisiae
I WAYAN ARNATA
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis yang berjudul : PENGEMBANGAN ALTERNATIF TEKNOLOGI BIOPROSES PEMBUATAN BIOETANOL DARI UBI KAYU MENGGUNAKAN Trichoderma viride, Aspergillus niger DAN Saccharomyces cerevisiae adalah benar merupakan karya sendiri dibawah arahan Komisi Pembimbing dan belum pernah dipublikasikan. Semua sumber data dan informasi telah dinyatakan secara jelas dan dapat diperiksa kebenarannya.
Bogor, September 2009
I Wayan Arnata NRP : F351070111
ii
ABSTRACT I WAYAN ARNATA. Development of Alternative Bioprocess Technology to Bioethanol Production from Cassava by Trichoderma viride, Aspergillus niger and Saccharomyces cerevisiae. Supervised by Dwi Setyaningsih and Nur Richana. Cassava (Manihot utilisima) is one of viable feedstock for bioethanol production that contains starch and fiber. Both components can be hydrolyzed through the acid and enzymatic processes. T. viride is capable of producing cellulase useful for cellulose hydrolysis, while A. niger is able to produce amyloglucosidase for starch hydrolysis. Glucose produced in this step is used by S. cerevisiae as fermentation substrate to produce ethanol. This study aimed at increasing the yield of ethanol concentration from cassava by making bioprocess alternative through mixed culture T. viride, A. niger and S. cerevisiae at both acid and enzyme hydrolisate. The experiments were performed in three stages. The first stage was the cultivation of T. viride and A. niger to determine the stationary phase of maximum spore yield. The second stage was the determination of the produce time needed that gave maximum enzyme activity. Enzyme assay was conducted by measuring the cellulase (CMC-ase, FP-ase) and amyloglucosidase (AMG) activities. The third stage was the hydrolysis and fermentation processes with six alternatives of production process and one control. The first treatment (P1) was using acid hydrolisate and the addition of coculture gradually. The second treatment (P2) was using acid hydrolisate and the addition of mixed culture simultaneously. The third treatment (P3) was using enzyme hydrolisate with SFS coculture addition. The forth treatment (P4) was using enzyme hydrolisate with the addition of crude cellulase enzyme in the saccharification process. The fifth treatment (P5) was using enzyme hydrolisate and the addition of mixed culture gradually. The sixth treatment (P6) was using enzyme hydrolisate with the addition of commercial cellulase enzyme in the saccharification process. The control process (P7) was using enzyme hydrolisate and the addition of monoculture S. cerevisiae. Observations during the fermentation process included changes in the total sugar concentration (Dubois et al., 1956), pH, concentration of the crude fibre residue (AOAC, 1984) and the ethanol concentration (Gas Chromatography). From the experiments, the stationary phase of maximum spore yield occurred after 7 days of cultivation of T. viride and A. niger with maximum spore number of 1.51 x 10 9 and 1.26 x 10 9, respectively. Maximum cellulose and AMG activities obtained after 7 days of fermentation with the CMC-ase activities of 5.05 ± 0.42 U/ml, FP-ase of 4.77 ± 0.72 U/ml and AMG of 62.77 ± 4.49 U/ml. With mixed culture T. viride, A. niger and S. cerevisiae in the fermentation process of the enzyme hydrolisate and SFS for 4 days, ethanol concentration increased from 5.36 ± 0.63 % (b/v) in the control to 7.41 ± 1.79 % (b/v) or an increase of 38.29 % compared to that of monoculture S. cerevisiae, while gradually addition of coculture in the fermentation process was only able to increase the ethanol concentration of 5.36 ± 0.63 % (b/v) in the control to 6.38 ± 0.83 % (b/v) or increasing 19.06 % compared to that of monoculture S. cerevisiae.
iii
Mixed culture T. viride, A. niger and S. cerevisiae in the fermentation process of acid hydrolisate either done gradually or with simultaneous saccarification and fermentation was not able to increase ethanol concentration when compared to control. However, ethanol concentration increased significantly with AMG addition of crude and commercial cellulase in the saccharification process. The ethanol concentration increased from 5.36 ± 0.63 % (b/v) in the control to 9.29 ± 1.76 % (b/v) (adding crude cellulase) and 8.92 ± 0.73 % (b/v) (commercial cellulase) or an increase of 73.45 % and 64.42 %, respectively, compared to that of the monoculture. The experiments resulted that the highest ethanol concentration is produced from the fourth treatment (P4) that is 9.29 ± 1.76 % (b/v) with yield of 34.77 % (v/b). Keywords: Bioprocess, Bioethanol, Cassava, Mixed culture.
iv
RINGKASAN I WAYAN ARNATA. Pengembangan Alternatif Teknologi Bioproses Pembuatan Bioetanol Dari Ubi Kayu Menggunakan Trichoderma viride, Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae. Dibimbing oleh Dwi Setyaningsih dan Nur Richana. Ubi kayu (Manihot utilisima) merupakan salah satu bahan baku pembuatan bioetanol yang mengandung fraksi pati dan serat. Kedua fraksi ini dapat dihidrolisis secara asam maupun enzim. Jenis kapang T. viride mampu menghasilkan selulase yang berguna untuk menghidrolisis serat (selulosa) dan A. niger mampu menghasilkan amiloglukosidase untuk menghidrolisis pati. Hasil hidrolisis berupa glukosa dapat dipergunakan oleh S. cerevisiae sebagai substrat fermentasi untuk menghasilkan etanol. Penelitian ini bertujuan mendapatkan alternatif teknologi bioproses pembuatan bioetanol terbaik dari ubi kayu menggunakan kultur campuran T. viride, A. niger dan S. cerevisiae baik pada hidrolisat asam maupun enzim. Penelitian dilakukan dalam tiga tahap. Tahap pertama dilakukan kultivasi pertumbuhan T. viride dan A. niger untuk menentukan fase stasioner yang menghasilkan jumlah spora maksimal. Tahap kedua dilakukan untuk menentukan lama proses produksi yang menghasilkan aktivitas enzim maksimal. Pengujian enzim dilakukan dengan mengukur aktivitas selulase (CMC-ase, FP-ase) dan amiloglukosidase (AMG). Tahap ketiga dilakukan proses hidrolisis dan fermentasi dengan enam alternatif proses produksi dan satu proses kontrol. Pengamatan selama proses fermentasi meliputi perubahan konsentrasi total gula (Dubois et al. 1956), pH, konsentrasi serat kasar sisa (AOAC,1984) dan konsentrasi etanol. Dari hasil penelitian, fase stasioner pertumbuhan spora T. viride dan A. niger diperoleh setelah kultivasi selama 7 hari dengan jumlah spora maksimum masing-masing 1,51 x 10 9/ml dan 1,26 x 10 9/ml. Aktivitas selulase dan AMG maksimum diperoleh setelah fermentasi selama 7 hari dengan aktivitas CMC-ase 5,05 ± 0,42 U/ml, FP ase 4,77 ± 0,72 U/ml dan AMG 62,77 ± 4,49 U/ml. Penggunaan kultur campuran T. viride, A. niger dan S. cerevisiae pada proses proses fermentasi substrat hidrolisat enzim secara SFS selama 4 hari dapat meningkatkan konsentrasi etanol etanol dari 5,36 ± 0,63 % (b/v) menjadi 7,41 ± 1,79 % (b/v) atau meningkat 38,29 % dibandingkan dengan menggunakan kultur tunggal S. cerevisiae, sedangkan penggunaan kultur campuran yang ditambahkan secara bertahap pada proses fermentasi hanya mampu meningkatkan konsentrasi etanol dari 5,36 ± 0,63 % (b/v) menjadi 6,38 ± 0,83 % (b/v) atau meningkat 19,06 % terhadap penggunaan kultur tunggal S. cerevisiae . Penggunaan kultur campuran T. viride dan S. cerevisiae pada proses fermentasi substrat hidrolisat asam baik yang dilakukan secara bertahap maupun secara SFS belum mampu meningkatkan konsentrasi etanol jika dibandingkan dengan kontrol. Adanya penambahan AMG dengan selulase kasar dan komersial pada tahap sakarifikasi juga dapat meningkatkan konsentrasi etanol dari 5,36 ± 0,63 % (b/v) menjadi 9,29 ± 1,76 % (b/v) (penambahan selulase kasar) dan 8,92 ±
v
% (b/v) ( selulase komersial) atau masing-masing meningkat 73,45 % dan 64,42 % terhadap penggunaan kultur tunggal. 0,73
vi
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2009 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruhnya karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber. a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah. b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruhnya karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB
vii
PENGEMBANGAN ALTERNATIF TEKNOLOGI BIOPROSES PEMBUATAN BIOETANOL DARI UBI KAYU MENGGUNAKAN Trichoderma viride, Aspergillus niger DAN Saccharomyces cerevisiae
I WAYAN ARNATA
Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009 viii
LEMBAR PENGESAHAN Judul Penelitian
:
Nama Mahasiswa N RP
: :
Pengembangan Alternatif Teknologi Bioproses Pembuatan Bioetanol Dari Ubi Kayu Menggunakan Trichoderma viride, Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae I Wayan Arnata F351070111
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Nur Richana, M.Si. Anggota
Dr. Ir. Dwi Setyaningsih, M.Si. Ketua
Diketahui
Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian
a.n. Dekan Sekolah Pascasarjana Sekretaris Program Magister
Prof. Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Dr. Ir. Naresworo Nugroho, M.Si.
Tanggal ujian : 1 September 2009
Tanggal lulus :
ix
PRAKATA Puji syukur penulis pajatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir penelititan yang berjudul : “Pengembangan Alternatif Teknologi Bioproses Pembuatan Bioetanol Dari Ubi Kayu Menggunakan Trichoderma viride, Aspergillus niger dan Saccharomyces cerevisiae” tepat pada waktunya. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada Dr. Ir. Dwi Setyaningsih, M.Si. selaku Ketua Komisi Pembimbing dan
Dr. Ir. Nur Richana, M.Si. selaku Anggota Komisi
Pembimbing atas bimbingan dan arahannya. Ayahanda I Nyoman Kader, Ibunda Ni Made Kedri, Istri Nelly Verawati, SP dan Kedua putriku Wayan Arlyana Anantha dan Kadek Arlyatha Anantha tercinta. Keluarga Bapak Petrus Sarijono dan Ibu Lucia Siti Rahayu di Caruban Madiun. Teman-teman di Perhimpunan Mahasiswa Pasca Sarjana Bali “Puhnawacana” DR. drh. Nyoman Suarsana, drh. I Gst Ngurah Sudisma, MSi, drh Made Rai Yasa, MP, Ni Luh Yulianti, STp. M.Si. Diah STp. M.Si, , drh.Yudi A. Ibu Suci, SPt dan Gayeng, ST. Teman-teman dan rekan kerja di FTP Udayana terima kasih atas motivasinya. Seluruh staf pengajar Teknologi Industri Pertanian dan Staf Laboran, staf administrasi di Lingkungan Fateta IPB dan Teman-teman Teknologi Industri Pertanian ’07 dan tidak lupa juga kepada Yuyun, Jihan, Asep, Lily, Mbak Fitri dan Yusup terima kasih atas bantuannya. Penulis menyadari bahwa karya tulis ilmiah ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu saran dan kritik yang bersifat membangun sangat diharapkan agar dapat memberikan informasi dalam pengembangan karya tulis ini lebih lanjut.
Bogor, September 2009
x
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Desa Ungasan, Kuta Selatan Badung Bali pada tanggal 20 Juni 1978 sebagai anak tunggal dari I Nyoman Kader dan Ni Made Kedri. Penulis memasuki jenjang Sekolah Dasar tahun 1984 dan lulus tahun 1990 di SDN 4 Jimbaran, melanjutkan ke jenjang SMP tahun 1990 dan lulus tahun 1993 di SMPN 2 Kuta, jenjang SMA tahun 1993 sampai 1996 di SMAN 5 Denpasar. Penulis melanjutkan kuliah strata 1 tahun 1996 di Program Studi Teknologi Pertanian Universitas Udayana sampai tahun 2001. Dari tahun 2001 sampai 2005 penulis sempat bekerja sebagai pegawai swasta sebelum menjadi staf dosen di Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana. Pada tahun 2007 melalui dana beasiswa
pendidikan BPPS penulis melanjutkan kuliah strata 2 di
Sekolah Pascasarjana, Teknologi Industri Pertanian IPB.
Bogor, September 2009
Penulis
xi
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL............................................................................................... xiii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xiv DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xv
I.
PENDAHULUAN
1.1
Latar belakang ........................................................................................... 1
1.2
Rumusan masalah...................................................................................... 3
1.3
Tujuan........................................................................................................ 3
1.4
Hipotesis .................................................................................................... 3
1.5
Ruang lingkup ........................................................................................... 4
1.6
Kerangka pemikiran .................................................................................. 5
II.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Ubi Kayu ................................................................................................... 6
2.2
Polisakarida Dalam Ubi Kayu.................................................................... 8
2.3
Bioetanol .................................................................................................... 9
2.4
Hidrolisis Asam.......................................................................................... 13
2.5
Hidrolisis Enzim ....................................................................................... 15
2.6
Sakarifikasi Fermentasi Simultan (SFS) .................................................... 18
III.
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ....................................................................... 20 3.2
Bahan dan Alat........................................................................................... 20
3.2.1
Bahan....................................................................................................... 20
3.2.2
Alat.......................................................................................................... 20
3.3
Tahapan Penelitian ..................................................................................... 20
3.3.1
Karakteristik ubi kayu ............................................................................. 21
3.3.2
Persiapan kultur T. viride. ....................................................................... 21
xii
3.3.3
Persiapan kultur A. Niger ........................................................................ 22
3.3.4
Persiapan kultur S. Cerevisiae................................................................. 22
3.3.5
Produksi enzim glukoamilase A. Niger................................................... 22
3.3.6
Produksi enzim selulase T. Viride........................................................... 22
3.3.7
Pembuatan etanol .................................................................................... 23
3.3 Teknik Analisis Data..................................................................................... 24 3.4.1 Produksi enzim selulase ............................................................................ 24 3.4.2 Produksi enzim amiloglukosidase............................................................. 25 3.4.3 Proses hidrolisis ........................................................................................ 26 3.4.2 Proses fermentasi ...................................................................................... 26
IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1
Komposisi kimia ubi kayu ......................................................................... 28
4.2
Kultivai dan Produksi Enzim ..................................................................... 30
4.2.1
Kultivasi Trichoderma viride................................................................. 31
4.2.2
Produksi enzim selulase .......................................................................... 32
4.2.3
Kultivasi Aspergillus niger dan produksi amiloglukosidase.................. 33
4.3
Proses hidrolisis dan karakteristik hidrolisat ............................................. 35
4.4
Proses fermentasi ....................................................................................... 39
V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ................................................................................................. 55 5.2 Saran............................................................................................................ 55
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xiii
DAFTAR TABEL Halaman 1. Perkembangan produksi ubi kayu Indonesia................................................. 7 2. Sifat fisiko kimia ubi kayu dan tepung ubi kayu .......................................... 8 3. Perbandingan keuntungan dan kelemahan antara concentrated-acid hydrolisis dengan dilute-acid hydrolisis ......................... 14 4. Kondisi hidrolisis dan fermentasi tahapan proses......................................... 24 5. Hasil analisa komposisi kimia ubi kayu........................................................ 28 6. Karakteristik hasil hidrolisis asam dan enzim............................................... 36
xiv
DAFTAR GAMBAR Halaman 1. Kerangka pemikiran penelitian ................................................................... 5 2. Struktur selulosa............................................................................................ 9 3. Mekanisme proses glikolisis ......................................................................... 19 4. Tahapan penelitian ........................................................................................ 21 5. Inokulum T. viride dan A. niger ................................................................ 30 6. Kurva pertumbuhan T. viride, aktivitas CMC-ase dan FP-ase...................... 31 7. Kurva pertumbuhan A. niger dan aktivitas glukoamilase ............................ 34 8. Pengaruh hidrolisis terhadap total gula dan gula pereduksi.......................... 37 9. Perubahan pH dan total gula selama fermentasi P1 ...................................... 41 10. Perubahan pH dan total gula selama fermentasi P2 ...................................... 41 11. Perubahan pH dan total gula selama fermentasi P3 ...................................... 42 12. Perubahan pH dan total gula selama fermentasi P4 ...................................... 43 13. Perubahan pH dan total gula selama fermentasi P5 ...................................... 44 14. Perubahan pH dan total gula selama fermentasi P6 ...................................... 45 15. Perubahan pH dan total gula selama fermentasi P7 ...................................... 46 16. Pengaruh jenis perlakuan fermentasi terhadap konsentrasi etanol, rendemen dan efisiensi substrat .................................... 48 17. Pengaruh jenis perlakuan fermentasi terhadap konsentrasi serat kasar sisa dan total gula sisa............................................. 53
xv
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1. Prosedur Analisa .......................................................................................... 63 2. Alternatif tahapan proses pembuatan bioetanol ............................................ 70 3. Kurva standar DNS dan total gula ................................................................ 75 4. Analisis deskriptif pertumbuhan jumlah spora T. viride dan A. niger......... 76 5. Analisa aktivitas enzim selulase dan glukoamilase ...................................... 77 6. Analisis keragaman hasil hidrolisis tepung ubi kayu.................................... 81 7. Perubahan total gula selama fermentasi........................................................ 83 8. Perubahan pH selama fermentasi .................................................................. 86 9. Hasil produksi etanol .................................................................................... 89 10. Hasil analisis keragaman terhadap produksi etanol ...................................... 91 11. Hasil analisis keragaman serat kasar sisa...................................................... 92
xvi
Penguji Luar Komisi Pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Ani Suryani, DEA.
xvii
