PENGGUNAAN PRETREATMENT BASA PADA DEGRADASI ENZIMATIK AMPAS TEBU UNTUK PRODUKSI ETANOL
Oleh : Hikmatush Shiyami M. (2309100063) Azizah Ayu Kartika (2309100148) Pembimbing : Ir. Mulyanto, M.T.
Laboratorium Teknologi Biokimia Teknik Kimia FTI ITS
Latar Belakang Cadangan minyak bumi menipis, harga minyak meningkat secara signifikan Energi alternatif pengganti bahan bakar minyak
Potensi ampas tebu sebagai bahan baku pembuatan etanol Hidrolisis ampas tebu menjadi glukosa dan xilosa yang selanjutnya difermentasi menjadi etanol
Tujuan Penelitian Untuk mengembangkan teknologi produksi etanol dari ampas tebu dengan memanfaatkan baik komponen selulosa maupun hemiselulosanya.
Untuk mengetahui pengaruh penggunaan enzim selulase dan xilanase dalam proses hidrolisis selulosa dan hemiselulosa menjadi glukosa dan xilosa.
Untuk mengetahui pengaruh penggunaan mikroba Pichia stipitis dan Saccharomyces sereviciae dalam proses fermentasi glukosa dan xilosa menjadi etanol
Manfaat Penelitian Mengoptimalkan pemanfaatan ampas tebu menjadi etanol.
Mengetahui konversi terbaik pada proses fermentasi hidrolisat ampas tebu menjadi etanol. Mengatasi persoalan pengadaan energi berbasis fosil yang jumlahnya terbatas serta berpotensi mencemari lingkungan
TINJAUAN PUSTAKA
Ampas Tebu Ampas tebu merupakan limbah berserat yang diperoleh dari hasil samping proses penggilingan tanaman tebu (Saccharum oficinarum). Komposisi : Selulosa 50% Hemiselulosa 25% Lignin 25% (Hermiati dkk, 2010)
Selulosa Selulosa adalah homopolimer yang tersusun dari subunit D-glukosa yang ditautkan satu sama lain dengan ikatan β(1,4)-glikosida. Selulosa tidak larut di dalam air dan ditemukan pada dinding sel tumbuhan terutama pada tangkai, batang, dahan, dan semua bagian berkayu dari jaringan tumbuhan.
Hemiselulosa
Hemiselulosa merupakan gabungan dari polimerpolimer pada selulosa dengan rantai relatif lebih pendek dan bercabang, yang terdiri dari monomer xylosa, arabinosa, glukosa, manosa dan galaktosa, dengan struktur amorf. Hemiselulosa tidak larut dalam air tetapi larut dalam alkali encer
Xilan
Xilan merupakan komponen utama dari hemiselulosa pada dinding sel tumbuhan yang terikat pada selulosa, pektin, lignin, dan polisakarida lainnya untuk membentuk dinding sel.
Lignin Lignin merupakan polimer aromatik yang berasosiasi dengan polisakarida pada dinding sel sekunder tanaman. Struktur kimia lignin cukup kompleks dan terdiri dari rantai panjang seperti selulosa.
Lignin dapat dioksidasi oleh larutan alkali dan bahan oksidator lain.
Pretreatment Pretreatment suatu biomassa dibutuhkan dalam suatu proses operasi
untuk
mendapatkan
glukosa dengan yield yang tinggi. Efek utama yang terjadi dalam pretreatment adalah pelarutan hemiselulosa dan perusakan struktur lignin, meningkatkan pencapaian selulosa untuk hidrolisis enzim
Perbandingan Antara Pretreatment Asam Dengan Basa Asam Menurunkan signifikan.
lignin
Basa secara Tidak menurunkan lignin secara signifikan
Membutuhkan energi yang besar Berjalan pada temperatur rendah karena membutuhkan temperatur (60-100 C ̊ ) yang tinggi (100-230 ̊C).
Penurunan kadar hemiselulosa lebih Penurunan kadar lignin lebih tinggi tinggi dibandingkan lignin. dibandingkan hemiselulosa. Menghasilkan produk samping Tidak menghasilkan berupa asam asetat dan furfural. samping. Menyebaban korosif dan limbah Lebih ramah lingkungan. yang beracun. (Lee S, 2007; Rocha, 2011; Rabelo, 2011; Mussatto, 2007)
produk
Hidrolisis Enzimatik Hidrolisis adalah suatu proses kimia yang menggunakan H2O sebagai pemecah suatu makromolekul menjadi monomer atau komponen penyusun terkecilnya. (id.scribd.com/doc/29545455/Proses-Hidrolisis-Dan-Aplikasinya-Di-Industri)
Hidrolisis enzimatik menggunakan enzim sebagai katalis. Enzim : -Selulase -Xilanase
Enzim Selulase Enzim selulase merupakan enzim yang menyerang ikatan glikosida dengan menghidrolisis selulosa menjadi glukosa. Enzim ini merupakan suatu campuran kompleks yang terdiri dari tiga enzim yaitu endo-β-1,4-glukanase, exoβ-1,4-glukanase, β-1,4-glukosidase.
Enzim Selulase Reaksi selulosa menjadi glukosa
Selulase
Selulosa
Glukosa
Enzim Xilanase Enzim xilanase merupakan biokatalis reaksi hidrolisis xilan (hemiselulosa) menjadi xilosa.
Xilanase dapat diklasifikasikan berdasarkan substrat yang dihidrolisis, yaitu β-xilosidase, eksoxilanase, dan endoxilanase. Enzim xilanase dapat dihasilkan oleh sejumlah mikroorganisme seperti:A. niger, Bacillus, Cryptococcus, Penicillium, Aureo-basidium, Fusarium, Rhizomucor, Humicola.
Enzim Xilanase Reaksi xilan menjadi xilosa
Fermentasi Etanol • Xilosa menjadi etanol
3C5H10O5
Pichia stipitis
5C2H5OH + 5CO2
•Glukosa menjadi etanol
C6H12O6
Saccharomyces cerevisiae
2C2H5OH + 2CO2
Saccharomyces cerevisiae Kingdom Filum Kelas Ordo Familiy Genus
: : : : : :
Fungi Ascomycotina Saccharomycetes Saccharomycetales Saccharomycetaceae Saccharomyces
Ciri-ciri : 1. Mikroorganisme bersel satu 2. Tidak berklorofil 3. Tumbuh baik pada suhu 30oC dan pH 4,8 4. Mempunyai sifat stabil dan cepat mengadakan adaptasi (http://id.wikipedia.org/wiki/saccharomyces)
Pichia Stipitis Kingdom : Fungi Filum : Ascomycota Kelas : Saccharomycetes Ordo : Saccharomycetales Kerajaan : Fungi Family : Saccharomycetaceae 2. Filum : Ascomycotina Genus: Saccharomycetes : Pichia 3. Kelas
Ciri-ciri :4. Ordo : Saccharomyc. Famili : Saccharomycetaceae Genus : Saccharomyces (http://id.wikipedia.org/wiki/saccharomyces) 1.6.Mikroorganisme bersel satu 2.Tidak berklorofil 3.Suhu optimum 26-35oC 4. pH optimum untukpertumbuhan dan fermentasi xilosa adalah 4-7 (pada 25oC) (wikipedia.org/wiki/pichia stipitis dan onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ bit.260350710/abstract)
Penelitian Terdahulu Zhang, dkk (2011) Melakukan hidrolisis dengan substrat jerami padi, diperoleh hasil bahwa dengan variabel enzim campuran komposisi 10.1 mg/ml glukosa dan 0.22 mg/ml xilosa. Untuk enzim selulase 5.8 mg/ml glukosa dan 0.08 mg/ml xilosa, untuk xilanase tertinggi 0.03 mg/ml glukosa dan 0.04 mg/ml xilosa.
Koullas D. P., dkk (1992) Melakukan penelitian tentang efek dari delignifikasi basa pada sakarifikasi jerami gandum. Pada konsentrasi NaOH 10% didapat kadar lignin terendah yaitu 4,3% sedangkan kadar selulosa dan hemiselulosa masing-masing 37,5% dan 15%. Kadar selulosa tertinggi didapat pada konsentrasi NaOH 4% dengan kadar selulosa, hemiselulosa dan lignin masing-masing sebesar 44,6%; 15,4% dan 14,5%.
Yadav, dkk (2011) Memproduksi etanol dari jerami padi dengan Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis. Dihasilkan yield 0,3 gram etanol/gram glukosa dengan Saccharomyces cerevisiae. Untuk campuran Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis dihasilkan yield 0,4 gram etanol/gram glukosa.
Metode Penelitian
Pretreatment
Hidrolisis
Fermentasi
Kondisi Operasi Penelitian pH Penyiapan enzim Hidrolisis Fermentasi
:3 :3 : 5,5
Temperatur operasi Pretreatment Hidrolisis Fermentasi
: 80 oC : 60oC : 30°C
Waktu Pretreatment Hidrolisis Fermentasi
: 16 jam : 48 jam : 48 jam
Variabel Penelitian Hidrolisis • Menggunakan enzim selulosa (93 U/5 gram ampas tebu) • Menggunakan enzim xylanase. (93 U/5gram ampas tebu) • Menggunakan campuran enzim selulase dan xylanase (93 U/5gram ampas tebu + 93 U/5 gram ampas tebu)
Fermentasi • Menggunakan Saccharomyces cerevisiae • Menggunakan Pichia stipitis • Menggunakan campuran Pichia stipitis dan Saccharomyces cerevisiae
Pretreatment Pretreatmen Mekanik • Ampas tebu dikeringkan di bawah sinar matahari selama 12 jam. • Ampas tebu digiling dengan mesin penggiling. • Ampas tebu diayak dengan menggunakan screener dan mengambil ampas tebu yang berukuran 100-120 mesh
Pretreatment Pretreatmen Kimiawi • Sebanyak 50 gram ampas tebu berukuran antara 100 120 mesh ditambahkan dengan 1000 mL NaOH 1% (w/v). • Larutan dipanaskan pada suhu 80 oC selama 16 jam • Larutan dipisahkan dengan penyaringan menggunakan kertas saring pada water jet pump. • Padatan ampas tebu dibilas menggunakan air panas pada suhu 70 - 80oC hingga ampas tebu mencapai pH 7. • Substrat ampas tebu diambil dan kemudian dioven pada suhu 100oC selama 2 jam, lalu didinginkan pada suhu kamar. • Padatan ampas tebu yang sudah halus di simpan dalam kemasan tertutup.
Hidrolisis Ampas Tebu Menimbang 5 gram ampas tebu (100-120 mesh) yang sudah di pretreatment secara kimiawi (dan memasukkan ke dalam erlenmeyer 250 ml.
Menambahkan enzim selulase dari A. niger yang sudah di ketahui aktifitasnya sebanyak 93 U ke dalam bagasse tebu.
Menambahkan 150 ml buffer sitrat 0,1 M pH 3 ke dalam larutan enzim dan bagasse tebu.
Menganalisa konsentrasi glukosa dalam hidrolisat dengan metode DNS dan setiap selang waktu tertentu.
Fermentasi Memasukkan 10 mL larutan starter ke dalam 90 ml sisa larutan yang akan difermentasi ke dalam erlenmeyer 250 ml dan menutup menggunakan sumbat kasa.
Melakukan inkubasi selama 2 hari pada incubator shaker suhu 35 oC dan 100 rpm. Menganalisa kadar etanol menggunakan Gas Kromatografi serta kadar glukosa dan xilosa menggunakan HPLC.
Hasil Penelitian
Hasil Pretreatment Kadar Selulosa, Hemiselulosa, dan Lignin Pada Ampas Tebu Setelah Pretreatment 70.000 60.000
50.000 Kadar (%)
57.79
48.26
40.000
30.000
23.97
20.000
18.61
10.40
10.000
15.38
0.000 Selulosa Tanpa Pretreatment
Hemiselulosa Pretreatment NaOH
Lignin
Hasil Analisa Dengan X-Ray Difraction (XRD)
250
200
Counts
150
100
50
0 5
9
13
17
21
25
29
33
2 Untreated
NaOH 1% Pretreated
37
41
45
49
Indeks Kristalinitas Ampas Tebu dengan mengunakan analisa X-Ray Difraction (XRD) Variabel
I002
Iam
CrI
Sebelum pretreatment
190
100
47%
243
108
55%
Setelah Pretreatment dengan NaOH 1% (w/v)
Hasil Hidrolisis 18.000 hidolisis dengan enzim selulase (setelah pretreatment)
16.000
konsentrasi gula reduksi (g/l)
14.000
hidrolisis dengan enzim xilanase (setelah pretreatment)
12.000 hidrolisis dengan enzim selulase+xilanase (setelah pretreatment)
10.000
8.000
hidrolisis dengan enzim selulase (tanpa pretreatment)
6.000 hidrolisis dengan enzim xilanase (tanpa pretreatment)
4.000
hidrolisis dengan enzim selulase+xilanase (tanpa pretreatment)
2.000
0.000 0
10
20
30 Waktu hidrolisis (jam)
40
50
60
Hasil Analisa High Perfomance Liquid Chromatography (HPLC) Variabel
Konsentrasi gula reduksi (g/L)
Jumlah
Glukosa
Xilosa
Galaktosa
(g/L)
3.1489
2.8592
0.6061
6.6142
Enzim Xilanase
0.6348
2.6138
0.4714
3.7200
Enzim Selulase
1.8450
0.3341
0.4381
2.6173
Enzim Selulase+Xilanase
(HPLC, ITB)
Perbandingan Konsentrasi Gula Reduksi Hasil Hidrolisis Ampas Tebu Menggunakan Analisa HPLC dan DNS Variabel Enzim
Konsentrasi gula reduksi Analisa Uji DNS HPLC (g/L) (g/L)
Yield (g gula/ g ampas tebu)
6.6142
16.1140
0.4834
Enzim Xilanase
3.7200
10.9350
0.3281
Enzim Selulase
2.6173
9.3830
0.2815
Selulase+Xilanase
Keterangan : Yield hasil hidrolisis dihitung melalui massa hasil gula reduksi proses hidrolisis melalui uji DNS dibandingkan dengan massa ampas tebu awal yang dibutuhkan (5 g).
Hasil Fermentasi Fermentasi Menggunakan Saccharomyces cerevisiae 6
1.4
Konsentrasi gula reduksi (g/L)
1 4
0.8 3 0.6
2 0.4 1
0.2
0
0 0
12
24 Jam ke-
36
48
Konsentrasi etanol (g/L)
1.2
5
Glukosa Xilosa Galaktosa Etanol
Konsentrasi Etanol : 1.2213 g/l larutan Yield Etanol : 0.2389 g/g gula reduksi (HPLC) 0.2262 g/gula reduksi (DNS)
Hasil Fermentasi Fermentasi Menggunakan Pichia stipitis 6
2 1.8 1.6 1.4
4
1.2
3
1 0.8
2
0.6 0.4
1
0.2 0
0 0
12
24 Jam ke-
36
48
Konsentrasi etanol (g/L)
Konsentrasi gula reduksi (g/L)
5
Glukosa Xilosa Galaktosa Etanol
Konsentrasi Etanol : 1.7844 g/l larutan Yield Etanol : 0.2445 g/g gula reduksi (HPLC) 0.4648 g/gula reduksi (DNS)
Hasil Fermentasi 6
3
5
2.5
4
2
3
1.5
2
1
1
0.5
0
0 0
12
24 Jam ke-
36
48
Konsentrasi etanol (g/L)
Konsentrasi gula reduksi (g/L)
Fermentasi Menggunakan Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis
Glukosa Xilosa Galaktosa
Etanol
Konsentrasi Etanol : 2.8026 g/l larutan Yield Etanol : 0.27 g/g gula reduksi (HPLC) 0.4993 g/gula reduksi (DNS)
Hasil Fermentasi Perbandingan Konsentrasi Etanol Hasil Fermentasi Antara Ketiga Variabel 3 2.75
Konsentrasi gula reduksi (g/L)
2.5 2.25 2 1.75 Saccharomyces Cerevisiae
1.5
Pichia Stipitis
1.25
Campuran
1 0.75
0.5 0.25 0 0
12
24
36
48
Kesimpulan 1. Yield gula reduksi terbaik dihasilkan dari proses
hidrolisis dengan campuran enzim selulase dan enzim xilanase sebesar 0,4834 g/ g ampas tebu 2. Yield etanol terbaik dihasilkan dari proses fermentasi dengan campuran S.cerevisiae dan P.stipitis sebesar sebesar 0.4993 g etanol/ g gula reduksi.
3. Yield etanol yang di hasilkan relatif kecil dikarenakan kadar glukosa dan xilosa yang rendah.
TERIMA KASIH
