PRODUKSI GLUKOSA DARI LIGNOSELULOSA JERAMI PADI YANG DIDELIGNIFIKASI DENGAN ALKALINE-OZONOLYSIS PRETREATMENT Novia(*), Angga Riski Yanto, Andri Saputra *Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jln. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Inderalaya Ogan Ilir (OI) 30662 Abstrak Selama ini limbah biomassa lignoselulosa seperti jerami padi belum dimanfaatkan secara optimal. Padahal biomassa itu mengandung selulosa yang cukup tinggi. Selulosa dihidrolisis akan menghasilkan glukosa, kemudian dari glukosa difermentasikan akan menghasilkan bioetanol.. Produksi glukosa dimulai dengan pre-treatment, yaitu delignifikasi.Perlakuan ini bertujuan untuk mengurangi kandungan lignin dan sedikit hemiselulosa yang terdapat pada jerami padi, karena senyawa lignin dan hemiselulosa dapat menghambat dan menjadi inhibitor utama dalam proses hidrolisadari selulosa menjadi glukosa. Apabila tahap pre-treatment yang ditentukan telah dicapai maka biomassa selanjutnya dihidrolisis secara enzimatis, yakni dengan bantuan enzim Aspergillus Niger. Dalam penelitian ini bertujuan untuk mengetahui variabel mana yang paling berpengaruh pada produksi glukosa. Dari hasil analisa dapat disimpulkan bahwa produksi glukosa dengan variabel waktu hidrolisis 25 jam dan volume enzim 10 ml menghasilkan kadar glukosa lebih banyak bila dibandingkan dengan variabel yang lain, yaitu 52,4 mg. Kata Kunci: Enzim Aspergillus Niger, Glukosa, delignifikasi, Hidrolisis Abstract All this time lignocellulosic biomass wastes such as rice straws has not been utilized optimally. Meanwhile the biomass contains high cellulose content. Cellulose can be hydrolyzed to produce glucose, when is then can be fermented to produce bioethanol. Glucose production begins with the pre-treatment delignification. This are treatment aims to reduce the content of lignin and hemicellulose on the rice straw because lignin and the hemicellulose compuonds can inhibit and a major inhibotor in the hydrolysis of cellulose to glucose. While pre-treatment stage has been reached then the biomass then has been subsequently hydrolysed enzymatically using Aspergillus Niger enzyme. This research to knowing which is the most influential variable on glucose production. From the analysis of the results it can be concluded that the production of glucose using hydrolysis time variable 25 hours and the volume of 10 ml produce more glucose levels when compared with the other variables, namely 52,4 mg. Keywords: Aspergillus Niger Enzym, Glucose, Delignification, Hydrolysis 1.
PENDAHULUAN Harga minyak dunia dan kebutuhan BBM semakin meningkat, sementara cadangan minyak mentah semakin menipis. Untuk menanggulangi krisis kelangkaan bahan bakar minyak, maka perlu mencari sumber energi alternatif pengganti BBM. Pemerintah telah mengeluarkan Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai pengganti BBM. Kebijakan tersebut telah menetapkan sumber daya yang dapat diperbaharui seperti bahan bakar nabati sebagai alternatif pengganti BBM. Bahan bakar berbasis nabati diharapkan dapat mengurangi terjadinya kelangkaan BBM, sehingga kebutuhan akan
Jurnal Teknik Kimia No. 4, Vol. 19, Desember 2013
bahan bakar dapat terpenuhi. Bahan bakar berbasis nabati juga dapat mengurangi pencemaran lingkungan, sehingga lebih ramah lingkungan. Selain itu, usaha ini juga dilakukan dengan tujuan untuk rangka penghematan biaya dan devisa negara karena diperkirakan pada tahun 2015 Indonesia akan menjadi negara NetImportir bahan baku minyak mentah. Bahan bakar berbasis nabati salah satu contohnya adalah bioetanol. Bioetanol dapat dibuat dari bahan-bahan bergula, berpati, dan biomassa lignoselulosa. Bioetanol dapat meningkatkan angka oktan bensin apabila dicampur dalam komposisi tertentu. Selama ini limbah biomassa lignoselulosa seperti jerami padi belum dimanfaatkan secara maksimal. Padahal biomassa itu mengandung
Page 1
selulosa yang cukup tinggi. Sellulosa dehidrolisis akan menghasilkan glukosa, kemudian dari glukosa difermentasikan akan menghasilkan bioetanol. Melihat kondisi ini maka sangat diperlukan utntuk mengolah jerami padi menjadi suatu bahan yang bermanfaat dan menguntungkan dan bernilai ekonomi yang tinggi, seperti bioetanol. Kandungan jerami padi terdiri dari : hemiselulosa 27%, selulosa 39%, lignin 12% dan abu 11 % (Karimi, 2006). Beberapa peneliti terdahulu telah melakukan penelitian pembuatan bioetanol. Namun kandungan lignin dalam jerami padi belum sepenuhnya hilang dan belum ada yang menggunakan metode delignifikasi OzonolysisAlkaline Pretreatment. Berdasarkan latar belakang tersebut, maka dilakukan penelitian dengan judul “Produksi Glukosa Dari Lignoselulosa Jerami Padi Yang Didelignifikasi dengan Ozonolysis-Alkaline Pretreatment”.
2.
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Oktober s/d Desember 2012 di Laboratorium Jurusan Teknik Kimia Universitas Sriwijaya, Inderalaya. Alat dan Bahan a) Alat 1. Gelas ukur 7. Mesh Screening 2. Termometer 8. Neraca Analitik 3. Oven 9. Erlenmeyer 4. Blender 10. Buret Titrasi 5. Ozon generator 6. Reaktor ozonolysis b) Bahan 1. Jerami 10. Na2SO4 0,2 N 2. Ragi 11. Larutan KI 1 N 3. NaOH 5% 12. Larutan KI 2% 4. H2SO4 2 N 13. H2SO4 4 N 5. KMnO4 0,1 N 14. Sukrosa 12,5% 6. PDA 15. Nutrisi Urea 7. KH2PO4 0,2% 16. Oksigen 8. Aspergillus Niger 9. Larutan Amylum 0,2% dan 1% Rancangan Penelitian Pada penelitian ini akan dilakukan studi delignifikasi jerami padi dengan dua tahap pretreatment yaitu dengan menggunakan larutan NaOH 5% dan ozonolisis kemudian dihidrolisis menjadi glukosa dengan Aspergillus niger.
Jurnal Teknik Kimia No. 4, Vol. 19, Desember 2013
Variabel – variabel penelitian Pada penelitian ini akan diamati pengaruh beberapa variabel proses untuk menghasilkan produk dengan pelepasan lignin terbanyak. Adapun beberapa variabel yang menjadi fokus pada penelitian ini adalah: 1. waktu ozonisasi dan berat sampel sebagai variabel tetap. 2. Ukuran biomassa dan laju gas oksigen sebagai variabel bebas. Persiapan Bahan Baku Biomassa berupa jerami padi diperoleh dari ladang sawah di kawasan MUSI 2 Palembang. Jerami padi dihancurkan menggunakan alat pencacah (Crusher). Kemudian dikeringkan di panas matahari selama 10 hari. Lalu dipanaskan di oven bersuhu 45oC untuk menghilangkan kandungan air dalam biomassa tersebut. Setelah kering, ukurannya diperkecil dengan alat grinder sampai ukuran tertentu lalu diayak untuk memperoleh ukuran jerami 0,177 mm; 0,25 mm; 0,42 mm dan 0,841 mm. Semakin kecil ukuran biomassa, maka penurunan kadar lignin akan semakin besar. Deskripsi Proses a. Alkaline Pretreatment Jerami padi yang telah diukur kadar lignin dan kadar airnya sebanyak 50 gram ke dalam botol bertutup (erlenmeyer bertutup) dan dilarutkan dalam larutan NaOH 5% sebanyak 500 ml ( perbandingan ratio (w/v) jerami padi : NaOH = 1 : 10 ). Selanjutnya sampel dalam wadah diinkubasi dalam water bath pada suhu 850C selama 1 jam. Setelah 1 jam, sampel disaring dan dicuci menggunakan akuades hingga pH netral. Selanjutnya sampel padatan dikeringkan dalam oven pada suhu 1050C hingga beratnya konstan. kadar lignin sampel akhir dihitung dengan menggunakan metode Kappa. b.
Ozonolysis Pretreatment Proses pengozonan dilaksanakan pada tegangan konstan, yakni 8500 V. Perlakuan terhadap ukuran sampel masing-masing terdiri dari 0,177 mm; 0,25 mm; 0,42 mm dan 0,841 mm. Sedangkan berat jerami padi yang digunakan tetap, yakni 50 gram dan laju alir 5 liter/menit. Proses diawali dengan menghubungkan kabel listrik dengan generator listrik. Lalu dipastikan bahwa posisi regulator voltase diset pada titik terendah (nol), sehingga generator ozon masih bertegangan rendah (220 V). Gas
Page 2
oksigen dialirkan, laju alir diatur sesuai kebutuhan, dan dijaga agar tetap stabil. Selanjutnya voltase listrik dinaikkan secara perlahan-lahan sampai pada voltase yang diinginkan. Sebelum mengozonisasi biomassa, kadar ozon dianalisis terlebih dahulu dengan metode Iodometri. Larutan KI 2% yang dimasukkan ke dalam tabung analisis ke-1 (tabung bawah, sebelum masuk reaktor) ditambahkan larutan H2SO4 (suasana asam). Gas yang mengandung ozon dialirkan ke dalam tabung analisis sampai waktu tertentu (penggelembungan / bubbling). Setelah proses penggelembungan selesai dilakukan, aliran gas yang megandung ozon dihentikan. Larutan di dalam tabung analisis diambil sebagian dan dititrasi dengan larutan Na2S2O3, dengan indikator kanji. Proses ozonisasi jerami padi dilaksanakan di reaktor ozonisasi. 50 gram sampel jerami padi dalam kondisi moisture content ±10% dimasukkan ke dalam reaktor ozonisasi. Larutan KI 2% + larutan H2SO4 dimasukkan ke dalam tabung analisis ke-2 (tabung atas, setelah keluar dari reaktor). Gas ozon dialirkan ke dalam reaktor ozonisasi selama 6 menit, gas sisa dialirkan ke tabung analisis ke-2. Kandungan ozon sisa reaksi ozonisasi dianalisis sebagaimana pada tabung analisis ke-1 dengan metode Iodometri. Sampel yang telah diozonasi, dianalisa kandungan ligninnya dengan menggunakan metode Kappa. c. Pembuatan Enzim Selulase dari Aspergillus Niger 1) Pembenihan Inokulasi Mikroba yang digunakan adalah Aspergillus niger. Pembenihan dilakukan pada media PDA (Potato Dextrose Agar) secara zig-zag dengan menggunakan kawat inokulasi di dalam cawan petri secara aseptik. Mikroba diinkubasi pada suhu ± 30°C selama 120 jam. 2) Penyiapan Inokulum Membuat 100 ml media cair yang terdiri dari sukrosa 12,5%, (NH4)2SO4 0,25 % dan KH2PO4 0,2 %. Lalu pH media cair diatur dengan HCl hingga diperoleh pH = 3. Kemudian ujung kawat ose dicelupkan ke dalam etanol 96 % lalu dipanaskan pada api bunsen sampai berwana merah. Selanjutnya membiakan Aspergillus niger dari media PDA, lalu diambil dengan menggunakan kawat ose dan
Jurnal Teknik Kimia No. 4, Vol. 19, Desember 2013
dicelupkan beberapa saat pada media cair hingga tampak keruh. Pekerjaan ini dilakukan di ruang aseptik. Media cair ditutup dengan kapas dan diinkubasi pada suhu ± 30°C selama 24 jam. 3) Produksi Enzim selulase dalam media cair padat Jerami padi dicacah dan dikeringkan kemudian dihaluskan. Sebanyak 20 gram jerami padi dimasukkan ke dalam beaker glass 250 ml serta ditambahkan nutrisi urea 0,03 gr; MgSO4.7H2O 0,005 gr dan KH2PO4 0.0023 gr. Selanjutnya menambahkan 80 ml aquadest ke dalam media tersebut. pH diatur hingga mencapai pH = 5, lalu media disterilkan di dalam autoclave pada suhu 120 ºC selama 15 menit. Media yang telah disterilkan kemudian didinginkan. Suspensi spora aspergillus niger ditambahkan sebanyak 10 ml pada media tersebut. Media diinkubasi pada suhu ±30 oC dengan waktu fermentasi 96 jam. 4) Pengambilan Enzim Hasil fermentasi diekstrak dengan aquadest sebanyak 100 ml lalu di letakkan pada rotari shaker 150 rpm selama 1 jam. Cairan hasil fermentasi dipisahkan dengan menggunakan kertas saring. Enzim yang diperoleh kemudian disimpan di lemari pendingin dan siap untuk digunakan. d. Hydrolisis Enzymatik Hasil pretreatment dimasukkan ke dalam erlenmeyer 500 ml lalu ditambahkan 100 ml aquadest dan mengatur pH 4 – 5. Kemudian dipanaskan dalam autoclave pada suhu 100 o C selama 30 menit. Bubur jerami padi dibiarkan menjadi dingin. Enzim selulase ditambahkan sesuai perlakuan variable kedalam bubur jerami padi tersebut lalu Erlenmeyer ditutup rapat dengan gabus. Perlakuan terhadap waktu hidrolisis masingmasing terdiri dari yaitu 5, 10,15, 20 dan 25 jam, sedangkan perlakuan terhadap konsentrasi enzim yaitu 10% dan 20%. Konsentrasi enzim 10% yaitu penambahan enzim dengan 10% total fraksi enzim ( 5 ml enzim per 50 gram biomassa kering) dan menutup rapat erlenmeyer dengan gabus. Kemudian diletakkan pada rotary shaker 160 rpm selama 25 jam. Glukosa hasil hidrolisis dianalisa dengan metode Luff Schoorl.
Page 3
semakin berkurang kadar lignin dalam delignifikasi, karena luas permukaan jerami semakin besar, sehingga memperluas kontak langsung dengan senyawa alkali dan ozon.
Jerami Padi Pengecilan Ukuran / pengayakan
Hasil Analisa Glukosa Hasil analisis glukosa yang didapat pada
Pretreatment Alkali dengan NaOH 5%
penelitian ini dari hasil proses hidrolisis enzimatik berdasarkan luff shcoorl terlihat pada Tabel. 2, yaitu :
Ozonolysys Pretreatment
Hidrolisis enzimatik
Glukosa Gambar 1. Skema alur penelitian
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Ukuran Delignifikasi
Jerami
Dalam
Pengaruh waktu hidrolisis dan Konsentrasi enzim terhadap glukosa
Tabel 1 Hasil Delignifikasi Ukuran
Vol.Titran (a) ml
Bil.Kappa (K)
Kadar Lignin
Sebelum
Sesudah
Sebelum
Sesudah
Sebelum Sesudah
4,7 4,9 6 7,1
7,6 7,9 8,1 8,4
58 56 45 34
29 26 24 21
8,526 8,232 6,615 4,998
20 mesh 40 mesh 60 mesh 80 mesh
4,263 3,822 3,528 3,087
Perbandingan Kadar Lignin dengan ukuran Jerami
Kadar Lignin
Pengaruh Waktu Hidrolisis dan Volume Enzim Terhadap Glukosa
60 50 Glukosa (mg)
Aspergillus Niger
Tabel 2. Hasil Analisa Glukosa Waktu Volume Enzim Glukosa (ml) (mg) 5 28,68 5 Jam 10 30,3 5 32,73 10 Jam 10 33,54 5 33 15 Jam 10 38,5 5 51,5 20 Jam 10 52,1 5 51,8 25 Jam 10 52,4
Volume Enzim 5 ml
40 30
Volume Enzim 10 ml
20 10
14 12 10 8 6 4 2 0
0 Sebelum PreTreatment
5 Jam 10 15 20 25 Jam Jam Jam Jam
Setelah Alkali
Waktu Hidrolisis
Setelah Ozonolysis
20 Mesh 40 Mesh 60 Mesh 80 Mesh Ukuran Jerami
Gambar. 2 Perbandingan Kadar Lignin dengan ukuran Jerami Dilihat dari tabel 1 pengaruh ukuran jerami sangat berpengaruh penting terhadap delignifikasi. Semakin kecil ukuran jerami maka
Jurnal Teknik Kimia No. 4, Vol. 19, Desember 2013
Gambar 3. Pengaruh waktu hidrolisis terhadap glukosa Dari gambar 3 terlihat bahwa lamanya waktu hidrolisis dapat meningkatkan kadar glukosa yang dihasilkan seiring dengan banyaknya volume enzim yang ditambahkan. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu yang diberikan maka semakin banyak sisi aktif enzim selulase bekerja untuk memotong rantai karbon pada struktur selulosa menjadi struktur yang
Page 4
lebih sederhana seperti glukosa atau waktu yang lama memungkinkan adanya reaksi berkelanjutan dari enzim untuk menghidrolisis selulosa menjadi glukosa. Waktu hidrolisis antara 20-25 jam, glukosa yang dihasilkan memiliki nilai yang berdekatan atau mendekati konstan. Hal ini disebabkan karena aktivitas enzim selulase yang sudah konstan dan aktifitas tertinggi untuk mendegradasi selulosa pada kisaran waktu hidrolisis tersebut. Begitu juga sebaliknya semakin sedikit waktu yang diberikan untuk melangsungkan proses hidrolisis makan semakin sedikit pula enzim selulase bekerja untuk menghidrolisis selulosa menjadi glukosa, sehingga glukosa yang dihasilkan juga semakin kecil. Dari hasil penelitian diperoleh nilai tertinggi glukosa sebesar 52,4 mg/L pada waktu hidrolisis 25 jam.Waktu Hidrolisis 25 jam merupakan waktu yang paling optimal untuk menghasilkan glukosa tertinggi dari proses hidrolisis sampel jerami padi. Pada gambar 3.3 dapat dilihat bahwa adanya kenaikan pada setiap garis. Dari gambar 3.3 tersebut, dapat disimpulkan bahwa hasil glukosa dipengaruhi oleh banyaknya pemakaian enzim selulase yang digunakan dalam proses hidrolisis. Pada proses hidrolisis tersebut, pemakaian enzim selulase sebesar 10 ml dengan waktu hidrolisis 25 jam didapatkan kandungan glukosa dengan nilai tertinggi yaitu sebesar 52,4 mg/L dan glukosa terendah sebesar 28,68 mg/L. Kenaikan glukosa seiring dengan besarnya penambahan volume enzim selulase ini mengakibatkan sisi aktif enzim untuk memecah rantai selulosa menjadi glukosa semakin meningkat sehingga aktivitas enzim pun meningkat. Makin besar aktivitas enzim, makin banyak sisi aktif enzim yang tersedia untuk memecah selulosa sampai menjadi glukosa. 4.KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan , maka dapat disimpulkan sebagai berikut : a. Semakin kecil ukuran partikel maka semakin kecil kadar lignin hasil proses delignifikasi. Kadar lignin terkecil diperoleh sebesar 3,087 pada saat ukuran partikel 80 mesh. b. Semakin lama waktu hidrolisis maka semakin banyak kadar glukosa yang dihasilkan. Dalam hal ini waktu hidrolisis enzimatis yang paling baik dalam
Jurnal Teknik Kimia No. 4, Vol. 19, Desember 2013
c.
menghasilkan kadar glukosa yg tinggi adalah 25 jam. Semakin banyak konsentrasi enzim selulase yang digunakan, maka semakin tinggi kadar glukosa yang dihasilkan. Penambahan konsentrasi enzim terbaik adalah sebesar 10 ml dengan kadar glukosa 52,4 mg.
Saran Saran yang dapat penulis sampaikan demi perbaikan di penelitian selanjutnya adalah 1. Perlu dilakukan upaya penelitian lanjutan untuk mengetahui kadar glukosa optimum dari hidrolisis jerami padi. 2. Dalam pembuatan enzim selulase harus dalam jumlah yang banyak dan melakukan uji aktivitas enzim. 3. Apabila nanti ada penelitian lanjutan yang dilakukan oleh mahasiswa, hendaknya dicoba dalam modifikasi enzim guna menghasilkan kadar glukosa yang tinggi. 4. Hendaknya dalam setiap tahapan dalam penelitian perlu diperhatikan lebih lanjut guna menghindari apabila nanti terdapat kekurangan pada produk glukosa yang dihasilkan. Daftar Pustaka Alvira,P., E. Tomas-Pejo.,M. Ballesteros, M.J. Negro .2009. Bioresource technology: Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review.(11):1-11 Badger, P.C. 2002. Ethanol from cellulose: A general review. p. 17-21. In J. Janick and A. Whipkey (Ed.). Trends in New Crops and New Uses. ASHS Press, Alexandria, VA. Fengel, D. and G. Wegener. 1984. Wood: Chemistry,ultrastructure, reactions. Walter de Gruyter & Co., Berlin. Fessenden & Fessenden. 1986. Kimia Organik, Jilid 2, Jakarta : Gramedia Hormeyer, H.F., W. Schwals, G. Bonn and O. Bobleter, 1988. Hydrothermolysis of birchwood as pretreatment for enzymatic saccharification. Holzforschung, 42: 96-98. DOI: 10.1515/hfsg.1988.42.295//1988 Howard RL, Abotsi E, van Rensburg JEL, Howard S. 2003. Lignocellulose Biotechnology: Issues of Bioconversion and Enzyme
Page 5
Production. J. Biotechnol. 2(12): 602-619. Irawati D. 2006. Pemanfaatan Serbuk Kayu Untuk Produksi Etanol. [Tesis]. Bogor. Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Kaparaju, P., M. Serrano, A.B. Thansen, P. Kongian and I. Angelidai, 2009. Bioethanol, biohydrogen and biogas production from wheat straw in a biorefinery concept. Bioresour. Technol., 100: 2562-2568. DOI: 10.1016/j.biortech.2008.11.011 Karimi, K., S. Kheradmandinia and M.J. Taherzadeh, 2006. Conversion of rice straw to sugar by diluteacid hydrolysis. Biomass Bioenergy, 30: 247-253. DOI: 10.1016/j.biombioe.2005.11.015 Kim,S.,B.E Dale.2004.Global Potensial Bioethanol Production from wasted crops and crop residues.Biomassa and Bioenergy.15: 361-275 Kumar, P., Barrett, D.M., Delwiche, M.J., and Stroeve, P. 2009. Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production, Ind. Eng. Chem. Res., 48(8), 3713-3729. Matissek, R. and G. Steiner, 2006. Lebensmittel Analytik: Grundzuge, Methoden, Anwendungen. Speringer-Verlag, ISBN: 978-3-540-62513-1. Mc Ginnis, G.D., W.W. Wilson, S.E. prince and C.C. Cheng, 1983. Conversion of biomass into chemicals with hightemperature wet oxidation. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 22: 633-639. DOI: 101021/i300012a22. Sun, Y., dan Cheng, J.,2002.Hydrolysis of lignocellulosic material for ethanol production: a review. Bioresource Technology 83, 1-11. Wulandari,Annissa.2007.Bioethanol.http://digili b.itb.ac.id/gdl.php?mod=browse&op =read&id=jbptitbpp-gdl-annissawul26767. Diakses pada tanggal 15 September 2012. WWW.wikipedia.org/wiki/Aspergillus_niger diakses 19 November 2012
Jurnal Teknik Kimia No. 4, Vol. 19, Desember 2013
Page 6
