PEMBUATAN BIOETHANOL DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT MELALUI PROSES FUNGAL TREATMENT OLEH Aspergillus niger DAN FERMENTASI OLEH Zymomonas mobilis
Oleh: Oleh:
RINA ANDAYANI
Laboratorium Pengolahan Limbah Industri
Latar Belakang Cadangan minyak bumi menipis Renewable energy Bioethanol
Zymomonas mobilis Glukosa Aspergillus niger Sellulosa Tandan Kosong Kelapa Sawit
Rumusan Permasalahan Potensi Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) sebagai bahan baku alternatif pembuatan bioethanol dengan menggunakan fungi Aspergillus niger pada proses degradasi selulosa dan bakteri Zymomonas mobilis pada proses fermentasi.
Tujuan Penelitian 1. Memanfaatkan Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) sebagai bahan baku pembuatan biethanol. 2. Mendapatkan kondisi optimal untuk proses fungal treatment dengan fungi Aspergillus niger berupa kombinasi rasio volume larutan NaOH terhadap massa TKKS dan persentase penambahan suspensi Aspergillus niger yang digunakan. 3. Mendapatkan persentase penambahan suspensi Zymomonas mobilis yang terbaik pada proses fermentasi. 4. Mendapatkan kadar dan yield ethanol terbaik dan parameter kinetika reaksi pembentukan glukosa dan ethanol dari kombinasi variable penelitian.
Manfaat Penelitian 1. Memberikan alternatif penggunaan biethanol sebagai salah satu sumber energi alternatif sekaligus penanganan limbah berserat, yaitu Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS). 2. Mengetahui kondisi optimal kinerja fungi Aspergillus niger pada fungal treatment limbah TKKS dan bakteri Zymomonas mobilis, sehingga diharapkan dapat diterapkan pada produksi biethanol skala besar.
Batasan Masalah 1.Bahan baku pembuatan biethanol yang digunakan adalah Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS). 2.Fungal treatment menggunakan fungi Aspergillus niger. 3.Proses fermentasi secara batch dengan menggunakan bakteri Zymomonas mobilis.
Penelitian Terdahulu No 1
Peneliti P. Gunasekaran, K. Chandra Raj, 1999
Jurnal
Hasil
Ethanol fermentation
Dalam produksi ethanol dari
technology – Zymomonas
glucose dan starch hydrolysate,
mobilis, Current Science Vol. Z. mobilis menghasilkan yield 77 (1), 56-68.
yang lebih tinggi daripada S. cerevisiae.
2
M. Inuwa Ja’aaru,
Cellulase Production and
Pretreatment lignocellulosic
Obasola Ezekiel F., Enzymatic Hydrolysis of
material dengan larutan NaOH
2007
meningkatkan kemampuan
Some Selected Local
Lignocellulosic Material by A.niger untuk memproduksi A Strain of Aspergillus niger, Research Jurnal of Biological Science 2 (1): 1316.
cellulase.
TINJAUAN PUSTAKA
Cellulotic Material Bahan-bahan yang mengandung serat (cellulose): • TKKS • Bagasse • Rumput • Jagung • Sampah Organik
Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) • Limbah padat lignoselulosa industri perkebunan kelapa sawit • Tingkat ketersediaan yang berlimpah setiap tahun • Luas areal kelapa sawit Indonesia tahun 2008 = 6.78 juta ha dan Produksi CPO tahun 2008 = 17.37 juta ton. • Limbah TKKS di Indonesia mencapai 20 juta ton
(Dirjen Perkebunan)
Tabel 2.1 Kandungan Tandan Kosong Kelapa Sawit
Komponen
% Berat
Cellulose
41,3-46,5
Hemicellulose
25,3-33,8
Lignin
27,6-32,5
(Sudiyani, 2009)
Cellulose (C6H10O5)n • Polymer linear penyusun utama dinding sel tumbuhan. • DP dari cellulose antara 500 – 25.000 • Polimer cellulose terdiri dari D-glucose β1,4 membentuk rantai panjang yang tidak larut (microfibril). • Berupa kristal yang dikelilingi oleh amorphous cellulose, hemicellulose dan lignin (lignocellulose).
Produksi Ethanol Dihasilkan dengan konversi : • Gula : tebu atau bit, • Pati : jagung, gandum, kentang, atau ubi kayu • Cellulose : biomass, melalui fermentasi diikuti dengan distilasi cellulase
cellulose → glu cos e Z .mobilis
C 6 H 12 O6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO2 glucose
ethanol
3 tahapan utama konversi lignocellulotic material menjadi ethanol: 1. Pretreatment untuk memecah / menguraikan lignin dan membuka struktur kristal cellulose 2. Hidrolisa untuk memecah cellulose menjadi glucose 3. Fermentasi glucose menjadi ethanol.
Pretreatment Lignocellulose Tujuan : • menguraikan lignin dan hemicellulose • reduksi kristal cellulose • meningkatkan porositas bahan.
Physico-chemical pretreatment
Physical pretreatment
Steam Explosion (Autohydrolysis) Ammonia Fiber Explosion (AFEX) CO2 Explosion
Mechanical Pyrolysis
PRETREATMENT LIGNOCELLULOTIC MATERIAL
Chemical pretreatment Ozonolysis Acid Hydrolysis Alkaline Hydrolysis Oxidative Delignification Organosolv Process
Biological pretreatment
Aspergillus niger • Jamur berfilamen yang membentuk koloni yang terdiri atas felt putih atau kuning diselimuti oleh spora jamur yang dihasilkan secara asexual yang berwarna gelap. • Ditemukan pada lingkungan mesofilik • Memproduksi tiga klas enzim endoglucanases, cellobiohydrolases, dan β-glucosidases → mendegradasi cellulose.
Cellulase • Cellulase dapat mendegradasi cellulose hingga mencapai oligosakarida yang lebih kecil dan molekul glucose • Tiga jenis komponen dalam cellulase yang memiliki fungsi spesifik dalam tahapan degradasi cellulose, yaitu: 1. Endo–1,4–β–glucanase (EG) memotong secara random ikatan 1,4–β dalam rantai cellulose. 2. Ekso–1,4–β–glucanase (ekso–1,4–β–D–glucan cellobiohydrolase, CBH) membebaskan glucose dan cellobiose dari rantai cellulose. 3. 1,4–β–glucosidase menghidrolisa cellobiose menjadi glucose
Zymomonas mobilis Kelebihan Z. mobilis atas yeast sebagai berikut: • uptake gula dan yield ethanol yang lebih tinggi, • toleransi terhadap ethanol yang lebih tinggi, • tidak memerlukan tambahan oksigen terkontrol selama fermentasi • kemungkinan untuk manipulasi genetik.
→ alternatif dalam produksi bahan bakar etanol skala besar
METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian dilakukan secara batch di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri, Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, menggunakan TKKS dari PT. Sajang Heulang Angsana Mini Factory. Sedangkan biakan murni Aspergillus niger dan Zymomonas mobilis diperoleh dari Laboratorium Mikrobiologi, Jurusan Biologi, Universitas Airlangga, Surabaya.
Variabel Penelitian Variabel Tetap Massa TKKS Rasio TKKS : air Lama fermentasi
: 500 gram :1:8 : 48 jam
Variabel Berubah Rasio NaOH 0,25 M Aspergillus niger Zymomonas mobilis
: 1:0, 1:5, 1:10 (w TKKS/v NaOH) : 20 %, 30 % (v/v) : 10 %, 20 % (v/v)
Parameter yang Dianalisa Analisa pendahuluan limbah • Kadar selulosa, hemiselulosa, lignin dan glukosa Analisa Parameter Penelitian • Kadar lignin setelah pretreatment NaOH • Kadar selulosa, hemiselulosa, dan glukosa setelah fungal treatment • Kadar glukosa dan ethanol setelah fermentasi
Prosedur Kerja TKKS dicuci, dikeringkan, digiling Analisa selulosa, hemiselulosa, lignin dan glukosa Pretreatment TKKS • Penambahan larutan NaOH 0,25 M • 1 jam pada 121ºC Analisa lignin Pembuatan bubur TKKS dengan mencampur TKKS dan air dengan rasio berat 1:8
Analisa selulosa, hemiselulosa, dan glukosa
Fungal Treatment • Fungi: Aspergillus niger • Aerasi • Suhu 50°C, pH 5
Penambahan asam/basa untuk pengaturan pH Analisa selulosa, hemiselulosa, dan glukosa
Penyaringan
Fermentasi • Bakteri: Zymomonas mobilis
Pembuatan starter
• Suhu 30°C, pH 5 • Waktu operasi 48 jam Analisa glukosa, ethanol Produk (Ethanol)
Perhitungan Yield • Yield glukosa hasil fungal treatment =
massa glukosa massa TKKS
• Yield ethanol setelah fermentasi =
massa ethanol hasil fermentasi massa glukosa sebelum fermentasi
Gambar Tangki Fungal Treatment Keterangan Gambar : 1. Tangki fungal pretreatment 2. Waterbath 3. Heater 4. Aerator 5. Valve 6. Pengaduk
Gambar Fermentor Keterangan Gambar : 1. Fermentor 2. Stirer 3. Valve
HASIL PENELITIAN
Komposisi TKKS Kadar Lignin
29,08 %
Selulosa
45,16 %
Hemiselulosa
24,64 %
DELIGNIFIKASI
Kadar Lignin setelah Pretreatment dengan Larutan NaOH
FUNGAL TREATMENT Hasil analisa kadar glukosa dalam bubur TKKS setelah fungal treatment
Kadar Glukosa pada Fungal Treatment Tanpa Pre Treatment dengan Larutan NaOH
Kadar Glukosa pada Fungal Treatment dengan Pretreatment Larutan NaOH 1:5 (w TKKS/v NaOH)
Kadar Glukosa pada Fungal Treatment dengan Pretreatment Larutan NaOH 1:10 (w TKKS/v NaOH)
Kadar Glukosa Setelah Proses Fungal Treatment
Yield Glukosa Setelah Proses Fungal Treatment
Persen Degradasi Selulosa Setelah Proses Fungal Treatment
Persen Degradasi Hemiselulosa Setelah Proses Fungal Treatment
• Kadar glukosa tertinggi diperoleh pada fungal treatment dengan pretreatment larutan NaOH 1:5 (w TKKS/v NaOH) dan penambahan suspensi Aspergillus niger 30% (v/v) yaitu kadar glukosa 0,52 % dan yield 68,3 mg glukosa/g TKKS.
FERMENTASI
Kadar Ethanol pada tahap Fermentasi dengan Zymomonas mobilis
Persen Konversi Glukosa setelah Proses Fermentasi
Yield Ethanol setelah Proses Fermentasi
• Kadar ethanol tertinggi diperoleh pada proses fermentasi dengan penambahan suspensi Zymomonas mobilis 10% (v/v) yaitu kadar ethanol 0,14 % dan yield 0,29 g ethanol/g glukosa.
Parameter Kinetika Reaksi Pembentukan Glukosa KM (g/ml)
rmax (g/ml.jam)
Tanpa pretreatment, 20% A.niger
0,310
9,85E-05
Tanpa pretreatment, 30% A.niger
0,164
6,58E-05
1:5 (w TKKS/v NaOH), 20% A.niger
0,059
6,18E-05
1:5 (w TKKS/v NaOH), 30% A.niger
0,026
5,53E-05
1:10 (w TKKS/v NaOH), 20% A.niger
0,043
5,78E-05
1:10 (w TKKS/v NaOH), 30% A.niger
0,015
4,50E-05
Parameter Kinetika Reaksi Pembentukan Ethanol KM (g/ml)
rmax (g/ml.jam)
10% Zymomonas mobilis
0,0015
7,60E-05
20% Zymomonas mobilis
0,0153
3,34E-04
KESIMPULAN • Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) dapat dijadikan bahan baku pembuatan bioethanol melalui proses fungal treatment oleh Aspergillus niger dan fermentasi oleh Zymomonas mobilis. • Kondisi optimal untuk proses fungal treatment dengan fungi Aspergillus niger adalah dengan pretreatment larutan NaOH 1:5 (w TKKS/v NaOH) dan penambahan suspensi Aspergillus niger 30% (v/v), dimana dari kombinasi variabel tersebut diperoleh kadar glukosa teringgi yaitu 0,52 % dan yield 68,3 mg glukosa/g TKKS Dengan parameter kinetika yaitu KM sebesar 0,026 g/ml dan rmax sebesar 5,53E-05 g/ml.jam. • Kadar ethanol tertinggi diperoleh pada proses fermentasi dengan penambahan suspensi Zymomonas mobilis 10% (v/v) yaitu kadar ethanol 0,14 % dan yield 0,29 g ethanol/g glukosa. Dengan parameter kinetika yaitu KM sebesar 0,0015 g/ml dan rmax sebesar 7,60E-05 g/ml.jam.
TERIMA KASIH
