fermentasi hidrolisat enzimatik dari bagasse tebu menjadi...

Fermentasi Hidrolisat Enzimatik Dari Bagasse Tebu Menjadi Hidrogen

Disusun Oleh :Timoteus YuwonoEduward Rolanda

Jurusan Teknik Kimia FTI-ITSLaboratorium Teknologi Biokimia

Dosen Pembimbing :Prof.Dr.Ir.Arief Widjaja, M.EngProf.Dr.Ir.Soeprijanto, M.Sc

Latar BelakangKonsumsi Bahan Bakar

Meningkat

Energi Bahan BakarFosil- Terbatas- Polusi

Energi Terbaharukan

HIDROGEN- Dapat Diperbaharui- Ramah Lingkungan- Nilai Kalor Tinggi

(120,1 MJ/kg)

Bagasse Tebu- Selulosa 37%- Hemiselulosa 28%- Lignin 21%

BiomassaLignoselulosa

Limbah Bagasse Tebu :47 juta ton/tahun

GlukosaXilosa

HidrolisaEnzimatik Hidrogen

Fermentasi

PendahuluanTujuan

Mempelajari pengaruh konsentrasi NaOH padapretreatment bagasse tebu untuk selanjutnya dihidrolisa secara enzimatik dalam rangkafermentasi hidrogen.

Tujuan Pretreatment Bahan Berlignoselulosa

• Menghilangkan lignin.• Mengurangi sifat

crystalline pada strukturselulosa.

• Untuk merubah strukturbiomassaberlignoselulosa agar selulosa lebih mudah diakses oleh enzim padaproses hidrolisis.

•Steam explosion•Ammonia Fiber

explosion•CO2 explosion

Mikroorganisme

•Mechanical•Pyrolisis

•Acid/ alkaline hydrolysis•Organosolv process•Oxidative delignification

Physical

Biological

ChemicalPhysco-chemical

Metode Pretreatment

Penelitian TerdahuluPeneliti (Nama, Judul, Tahun) Hasil Penelitian

Koullas D. P., dkk (1992). Penelitian tentang efekdari delignifikasi basa pada sakarifikasi jeramigandum dengan enzim selulase dari strain Fusarium Oxysporum.

Pada kondisi panas (120oC) NaOH yang ditambahkan masing-masing 0%, 2%, 4%, 6%, 8% dan 10% dengan waktu 30 menit. Kadar selulosa tertinggi didapat pada konsentrasi NaOH4% dengan kadar selulosa, hemiselulosa danlignin masing-masing sebesar 44,6%; 15,4% dan14,5%. Kenaikan selulosa pada konsentrasiNaOH 4% sebesar 44,6% dan penurunan lignin sebesar 36,1%.

Vrije, T. de, dkk (2002). Penelitian tentang metodepretreatment untuk memproduksi substratfermentasi dari mischantus.

Nilai tertinggi delignifikasi diperoleh darikombinasi mekanis yaitu penggilingan danpengolahan awal secara kimia (penambahanNaOH). Sebuah proses dioptimalkan dengantahap penggilingan – pengolahan awal NaOHpada suhu 70oC. Keseimbangan masa dari prosesini dikombinasikan dengan hidrolisis enzimatik, menunjukkan hasil sebagai berikut :Pada pengolahan awal menghasilkan delignifikasisebesar 77 %, yield selulosa lebih dari 95% danyield hemiselulosa sebesar 44%. Setelahhidrolisis enzimatik, sebesar 69% fraksi awalselulosa terkonversi menjadi glukosa dan 38% fraksi awal hemiselulosa terkonversi menjadixylosa dan arabinosa.


Prakasham R.S, dkk (2009). Penelitian tentangpengaruh rasio glukosa dan xilosa dalampembuatan hidrogen secara fermentasi dengancampuran anaerobic consortia.

Kondisi pH optimum yang didapat yaitu pada pH 6 untuk substrat glukosa dan pH 6,5 untuk substratxilosa. Optimasi jumlah hidrogen yang dihasilkansebesar 1900 ml untuk 5 g/L substrat didapatpada rasio 2:3 pada pH 6.

Chen Ming, dkk (2007). Penelitian tentanghidrolisis enzimatik polisakarida yang berasal darijerami jagung untuk menghasilkan gula reduksi.

Jerami jagung terlebih dahulu ditambahkan 2% NaOH pada 80oC selama 1 jam untuk didelignifikasi. Selanjutnya selulosa yang tersisa dihidrolisis dengan enzim selulase dan selobioseyang didapat dari Trichoderma reesei danAspergillus niger. Dosis selulase yang dipakaisebesar 20 FPU/g dan selobiose sebesar 10 CBU/g substrat. Pada kondisi pH 4,8 dan suhu50oC waktu hidrolisa selama 48 jam didapat kadargula sebesar 64,1 g/l atau dengan yield 81,2%.


Tanisho S, dkk (1987). Penelitian tentangperkembangan hidrogen dari hasil fermentasi oleh Enterobacter aerogenes E. 82005

Peningkatan Hidrogen dari hasil Fermentasi oleh Enterobacter aerogenes strain E.82005 dipelajari melalui performa perkembangan bakteri pada kondisi pengaturan dan tanpa pengaturan pH. Hasil menunjukkan bahwa laju sementara terbentuknya hidrogen pada kultur yang mengandung glukosa dan pepton mencapai 420 ml(g-dry cell.h)-1 tanpa adanya pengaturan kondisi fermentasi dan diperlukan sekitar 1 mol glukosa untuk membentuk 1 mol hidrogen dari fermentasi oleh bakteri. Disamping itu, pH dari kultur diketahui mempunyai pengaruh yang penting pada aktivitas produksi hidrogen oleh E.82005. Aktivitas akan mencapai maksimum (520 ml (liter kultur.h)-1 pada pH=6 dan suhu 40,50C . Meskipun pertumbuhan bakteri E.82005 paling baik pada kondisi pH=7.

Metodologi Penelitian

Bagasse Tebu

Pretreatment Mekanik

GlukosaXilosa

Pretreatment Kimiawi

Hidrolisa

Enzim murniAspergilus

niger

SelulosaHemiselulosa

Bagasse tebu hasilpretreatment (selulosa danhemiselulosa)

Fermentasi

Hidrogen

NaOH

GlukosaXilosa

Enterobacteraerogenes

Kondisi OperasiPenelitian

• Temperatur– Pretreatment : 80oC– Hidrolisis : 60oC– Fermentasi : 30oC

• Waktu– Pretreatment : 16 jam– Hidrolisis : 42 jam– Fermentasi : 48 jam

• pH– Hidrolisis : 3– Fermentasi : 6-7

• Tahap pretratmentbagasse tebu– Konsentrasi NaOH :

4% ; 8% ; 12%

VariabelPenelitian

Tahap Pretreatment

Bagasse Tebu

Dijemur

Analisa Chesson

Di reflux80 oC selama 16 jam

Digiling

Diayak

Bagasse Tebu100 – 120 mesh

Bagasse Tebu100 – 120 mesh

Dioven

Disaring

Dicuci

NaOH4% ; 8% ;

12%

H2O

Hasil Tahap Pretreatment

Konsentrasi NaOH

Run1 Run2

Massa awal

(gram)

Massa akhir

(gram)

% Massa yang

hilang

Massa awal

(gram)

Massa akhir (gram)

% Massa yang hilang

4% 50 20.15 59.70 20 8.93 55.34

8% 50 19,84 60,3 20 7.93 60.32

12% 50 17.15 65.68 20 7.49 62.54

Hasil Analisa Komposisi Lignoselulosa (%w/w)

VariabelSelulosa (%w/w) Hemiselulosa (%w/w)

Run1 Run2 Run3 rata2 Run1 Run2 Run3 rata2

TanpaPretreatment

41,37 41,76 43,03 42,05 23,98 34,68 30,36 29,67

NaOH 4% 65,97 71,29 74,65 70,64 16,09 16,59 14,05 15,58

NaOH 8% 56,99 55,20 60,29 57,49 13,52 11,11 8,19 10,94

NaOH 12% 52,32 50,23 38,43 47,00 11,48 10,43 19,56 13,83

VariabelLignin (%w/w) Lain2 (%w/w)

Run1 Run2 Run3 rata2 Run1 Run2 Run3 rata2

Tanpa Pretreatment

27,55 20,44 22,19 23,39 7,11 3,12 4,42 4,88

NaOH 4% 15,17 8,36 10,37 11,30 2,77 3,76 0,94 2,49

NaOH 8% 27,34 30,84 30,18 29,45 2,15 2,85 1,35 2,12

NaOH 12% 33,89 36,12 39,47 36,49 2,30 3,22 2,53 2,68

Hasil Analisa Komposisi Lignoselulosa (%w/w) Variabel Selulosa Hemiselulosa Lignin Lain-lain

TanpaPretreatment 42,05 29,67 23,39 4,88

NaOH 4% 70,64 15,58 11,30 2,49

NaOH 8% 57,49 10,94 29,45 2,12

NaOH 12% 47,00 13,83 36,49 2,68

Variabel Selulosa Hemiselulosa Lignin Lain-lain

TanpaPretreatment 8.41 5.93 4.68 2.00

NaOH 4% 6.31 1.39 1.01 0.47

NaOH 8% 4.56 0.87 2.34 0.37

NaOH 12% 3.52 1.04 2.73 0.38

Hasil Analisa Komposisi Lignoselulosa (gram)

0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

0 4 8 12

Kad

ar (%

w/w

)

% NaOH

Selulosa

Hemiselulosa

Lignin

- Jumlah lignin semakin berkurang dengan kenaikan konsentrasi dari NaOH- NaOH tidak hanya mendegradasi lignin tetapi juga mendegradasi

hemiselulosa dan selulosa.- NaOH dapat masuk menembus tidak hanya diantara sturktur kristal

tetapi juga kedalam struktur kristal untuk menghancurkan ikatanhidrogen diantara molekul-molekul selulosa (Zhou & Zhang, 2000).Selulosa akan mengembung dan bahkan larut dalam larutan NaOHdengan konsentrasi 6%-10% pada temperatur -150C-40C. (Cai &Zhang, 2006; Kamide et al., 1984; Zhang et al., 2002; Zhang et al., 1999;Zhou et al., 2004).

Tahap Hidrolisis Enzimatik

Uji kadar gulareduksi

Di reflux60 oC ; pH 3 ; 42 jam

Bagasse TebuHasil Pretreatment

Hidrolisat

LarutanEnzim murni

Enzim murniAspergilus

niger

Diencerkan Buffer sitrat0,1 M pH 3

UjiAktivitas

Enzim 93 U/ 5gram

bagasse tebu

Hasil Analisa Kadar Glukosa Pada Hidrolisat Bagasse Tebu

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 6 12 18 24 30 36 42 48

Kons

entr

asi

gluk

osa

(g/L

)

Waktu Hidrolisis (jam)

NaOH 4%

NaOH 8%

NaOH 12%

Jam ke-Konsentrasi Glukosa (g/L)

NaOH 4%

NaOH 8%

NaOH 12%

0 0.8731 1.3515 0.34681 2.1767 1.6565 1.60263 3.3249 1.6266 1.55486 2.8345 1.3754 1.178112 2.8704 1.6206 1.465118 3.4086 1.6684 1.052524 4.2817 1.5548 1.178130 4.1740 1.7462 1.417336 3.9707 1.6923 0.950842 4.8916 1.7820 1.148248 4.2338 1.6804 1.4352

Dari analisa hidrolisat, diperoleh bahwahidrolisis bagasse tebu hasil pretreatmentdengan NaOH 4% menghasilkan kadarglukosa paling tinggi sebesar 4,8916 gr/Lpada hidrolisis selama 42 jam

Tahap Fermentasi

Analisa GC

Fermentasi30oC ; pH 6-7 ; 48 jam

Hidrolisat

Hidrogen

Enterobacteraerogenes

Pembiakan

HidrolisatAklimatisasi30oC ; pH 7 ; 18 jam

Analisakadar gula

AnalisaJumlah sel

Waktu(jam)

Volume gas(ml)

Akumulasi(ml)

AreaVolume di

syringe (ml)Volume total

(ml)H2/CO2

H2

(mmol)Σ H2

(mmol)H2 CO2 H2 CO2 H2 CO2

0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 0 06 385 385 84556 20789 0,0282 0,7454 54,26 1434,84 0,0378 2,184 2,184

12 134 519 112148 32632 0,0374 1,1700 25,05 783,90 0,0320 1,008 3,19218 162 681 43915 13062 0,0146 0,4683 11,86 379,35 0,0313 0,477 3,66924 60 741 29537 8864 0,0098 0,3178 2,95 95,34 0,0310 0,119 3,78830 208 949 60751 17983 0,0203 0,6447 21,06 670,53 0,0314 0,848 4,63636 220 1169 53269 15971 0,0178 0,5726 19,53 629,88 0,0310 0,786 5,42242 110 1279 39120 11498 0,0130 0,4123 7,17 226,74 0,0316 0,289 5,71048 218 1497 59705 18003 0,0199 0,6455 21,69 703,58 0,0308 0,873 6,583

Waktu(jam)

Glukosa (λ = 540 nm) Bakteri (λ = 600 nm)

Absorbansi CG (g/L)CG

(mol/L)Absorbansi

Jumlah Sel(/ml)

0 0,463 5,537 0,031 0,078 33441563,86 0,154 1,842 0,010 0,464 198934430,812 0,091 1,088 0,006 0,653 279965912,318 0,094 1,124 0,006 0,676 289826886,224 0,057 0,682 0,004 0,687 294543004,230 0,106 1,268 0,007 0,691 296257956,236 0,066 0,789 0,004 0,665 285110768,342 0,093 1,112 0,006 0,723 309977572,148 0,061 0,730 0,004 0,97 415875857,5

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0

1

2

3

4

5

6

7

0 6 12 18 24 30 36 42 48

kons

entr

asi g

ula

redu

ksi (

mm

ol/L

)

kum

ulat

if H2

(mm

ol/L

)

waktu (jam)

kumulatif H2 (mmol/L) konsentrasi gula reduksi (mmol/L)

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

0.05.0

10.015.020.025.030.035.040.045.0

0 6 12 18 24 30 36 42 48

kons

entr

asi g

ula

redu

ksi (

g/L)

jum

lah

sel (

10 ju

ta s

el /m

l)

waktu (jam)

Jumlah sel (/ml) konsentrasi gula reduksi (g/L)

(1)

(2)

Hasil Analisa HPLC Kadar Glukosa dan Xilosa Pada Larutan Fermentasi

Komponen Area Kadar (ppm) g/LJumlah gula

(g/L)Xylose Jam

ke-012137,9 179,5 0,180

1,099Glucose Jam

ke-078568,8 919,6 0,920

Xylose Jam ke-48

0 0 00

Glucose Jam ke-48

0 0 0

Komponen Absorbansi g/L

Gula ReduksiJam ke-0

0,463 5,537

Gula ReduksiJam ke-48

0,061 0,730

Hasil Analisa DNS Kadar Gula Reduksi Larutan Fermentasi

Kesimpulan• Bagasse tebu yang digunakan memiliki konsentrasi

selulosa, hemiselulosa, dan lignin berturut turut sebesar 41,76%; 34,68%; 20,44%.

• Kondisi pretreatment yang menunjukkan hasil kadar selulosa tertinggisebesar 71,29% dan kadar lignin terendah sebesar 8,36% adalahkonsentrasi NaOH 4%, pada suhu 80oC, dan selama 16 jam.

• Hasil hidrolisa terbaik adalah pada pretreatment dengan konsentrasi NaOH4% suhu 80oC selama 16 jam dengan suhu hidrolisa 60oC dan pH 3 yaitu didapatkan gula reduksi sebesar 5,537 g/L.

• Yield gula reduksi tertinggi yang dihasilkan pada konsentrasi gula reduksi sebesar 5,537 g/L adalah 82,81 mg gula/g bagasse tebu.

• Yield hidrogen yang dihasilkan berdasarkan konsentrasi gula reduksihidrolisat awal 5,537 g/L adalah 0,428 mmol H2/mmol gula reduksi awal.

• Yield hidrogen yang dihasilkan berdasarkan konsentrasi gula reduksi yang terkonsumsi sebesar 86,82% adalah 0,493 mmol H2/mmol gula yang terkonsumsi.

TERIMAKASIH…

fermentasi hidrolisat enzimatik dari bagasse tebu menjadi...

Documents