penggunaan pretreatment basa pada degradasi...
TRANSCRIPT
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
Potensi ampas tebu sebagai bahan bakupembuatan etanol
Hidrolisis ampas tebumenjadi glukosa dan xilosa
yang selanjutnyadifermentasi menjadi etanol
Energi alternatifpengganti bahan
bakar minyak
Tujuan Penelitian
Untuk mengembangkan teknologi produksi etanol dariampas tebu dengan memanfaatkan baik komponen selulosamaupun hemiselulosanya.
Untuk mengetahui pengaruh penggunaan enzim selulase danxilanase dalam proses hidrolisis selulosa dan hemiselulosamenjadi glukosa dan xilosa.
Untuk mengetahui pengaruh penggunaan mikroba Pichiastipitis dan Saccharomyces sereviciae dalam prosesfermentasi glukosa dan xilosa menjadi etanol
Manfaat Penelitian
Mengoptimalkan pemanfaatan ampas tebu menjadietanol.
Mengetahui konversi terbaik pada proses fermentasihidrolisat ampas tebu menjadi etanol.
Mengatasi persoalan pengadaan energi berbasis fosilyang jumlahnya terbatas serta berpotensi mencemarilingkungan
TINJAUAN PUSTAKA
Ampas tebu merupakan limbah berserat yangdiperoleh dari hasil samping prosespenggilingan tanaman tebu (Saccharum
oficinarum).
Komposisi :Selulosa 50%Hemiselulosa 25%Lignin 25%(Hermiati dkk, 2010)
Ampas Tebu
Selulosa adalah homopolimer yangtersusun dari subunit D-glukosa yangditautkan satu sama lain dengan ikatan β-(1,4)-glikosida.
Selulosa tidak larut di dalam air danditemukan pada dinding sel tumbuhanterutama pada tangkai, batang, dahan, dansemua bagian berkayu dari jaringantumbuhan.
Selulosa
Hemiselulosa
Hemiselulosa merupakan gabungan dari polimer-polimer pada selulosa dengan rantai relatif lebihpendek dan bercabang, yang terdiri dari monomerxylosa, arabinosa, glukosa, manosa dangalaktosa, dengan struktur amorf.
Hemiselulosa tidak larut dalam air tetapi larutdalam alkali encer
Xilan
Xilan merupakan komponen utama dari hemiselulosapada dinding sel tumbuhan yang terikat padaselulosa, pektin, lignin, dan polisakarida lainnya untukmembentuk dinding sel.
Lignin
Lignin merupakan polimeraromatik yang berasosiasidengan polisakarida padadinding sel sekunder tanaman.
Struktur kimia lignin cukup kompleks dan terdiri darirantai panjang seperti selulosa.
Lignin dapat dioksidasi oleh larutan alkali dan bahanoksidator lain.
Pretreatment
Pretreatment suatu biomassadibutuhkan dalam suatu prosesoperasi untuk mendapatkanglukosa dengan yield yangtinggi.
Efek utama yang terjadi dalam pretreatment adalah pelarutanhemiselulosa dan perusakan struktur lignin, meningkatkanpencapaian selulosa untuk hidrolisis enzim
Perbandingan Antara Pretreatment
Asam Dengan Basa
Asam Basa
Menurunkan lignin secarasignifikan.
Tidak menurunkan lignin secarasignifikan
Membutuhkan energi yang besarkarena membutuhkan temperaturyang tinggi (100-230 ̊C).
Berjalan pada temperatur rendah(60-100 ̊C)
Penurunan kadar hemiselulosa lebihtinggi dibandingkan lignin.
Penurunan kadar lignin lebih tinggidibandingkan hemiselulosa.
Menghasilkan produk sampingberupa asam asetat dan furfural.
Tidak menghasilkan produksamping.
Menyebaban korosif dan limbahyang beracun.
Lebih ramah lingkungan.
(Lee S, 2007; Rocha, 2011; Rabelo, 2011; Mussatto, 2007)
Hidrolisis Enzimatik
Hidrolisis adalah suatu proses kimia yang menggunakan H2Osebagai pemecah suatu makromolekul menjadi monomer ataukomponen penyusun terkecilnya.(id.scribd.com/doc/29545455/Proses-Hidrolisis-Dan-Aplikasinya-Di-Industri)
Hidrolisis enzimatik menggunakan enzim sebagai katalis.Enzim :
-Selulase-Xilanase
Enzim selulase merupakan enzim yang menyerangikatan glikosida dengan menghidrolisis selulosa menjadiglukosa.
Enzim ini merupakan suatu campuran kompleks yangterdiri dari tiga enzim yaitu endo-β-1,4-glukanase, exo-β-1,4-glukanase, β-1,4-glukosidase.
Enzim Selulase
Selulase
Selulosa Glukosa
Enzim Selulase
Reaksi selulosa menjadi glukosa
Enzim xilanase merupakan biokatalis reaksi hidrolisis xilan(hemiselulosa) menjadi xilosa.
Xilanase dapat diklasifikasikan berdasarkan substrat yangdihidrolisis, yaitu β-xilosidase, eksoxilanase, dan endoxilanase.
Enzim xilanase dapat dihasilkan oleh sejumlahmikroorganisme seperti:A. niger, Bacillus, Cryptococcus,
Penicillium, Aureo-basidium, Fusarium, Rhizomucor,
Humicola.
Enzim Xilanase
Enzim Xilanase
Reaksi xilan menjadi xilosa
Fermentasi Etanol
• Xilosa menjadi etanol
3C5H10O5 5C2H5OH + 5CO2
•Glukosa menjadi etanol
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2
Pichia stipitis
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae
Ciri-ciri :1. Mikroorganisme bersel satu2. Tidak berklorofil3. Tumbuh baik pada suhu 30oC dan pH 4,84. Mempunyai sifat stabil dan cepat mengadakan adaptasi(http://id.wikipedia.org/wiki/saccharomyces)
Kingdom : FungiFilum : AscomycotinaKelas : SaccharomycetesOrdo : SaccharomycetalesFamiliy : SaccharomycetaceaeGenus : Saccharomyces
Kerajaan : Fungi2. Filum : Ascomycotina
3. Kelas : Saccharomycetes4. Ordo : Saccharomyc. Famili : Saccharomycetaceae
6. Genus : Saccharomyces (http://id.wikipedia.org/wiki/saccharomyces)
Pichia Stipitis
Kingdom : FungiFilum : AscomycotaKelas : SaccharomycetesOrdo : SaccharomycetalesFamily : SaccharomycetaceaeGenus : Pichia
Ciri-ciri :1. Mikroorganisme bersel satu2.Tidak berklorofil3.Suhu optimum 26-35oC4. 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) Melakukanhidrolisis dengan substrat jerami padi,diperoleh hasil bahwa dengan variabelenzim campuran komposisi 10.1 mg/mlglukosa dan 0.22 mg/ml xilosa. Untukenzim selulase 5.8 mg/ml glukosa dan0.08 mg/ml xilosa, untuk xilanasetertinggi 0.03 mg/ml glukosa dan 0.04mg/ml xilosa.
Koullas D. P., dkk (1992) Melakukanpenelitian tentang efek dari delignifikasibasa pada sakarifikasi jerami gandum.Pada konsentrasi NaOH 10% didapatkadar lignin terendah yaitu 4,3%sedangkan kadar selulosa danhemiselulosa masing-masing 37,5% dan15%. Kadar selulosa tertinggi didapatpada konsentrasi NaOH 4% dengankadar selulosa, hemiselulosa dan ligninmasing-masing sebesar 44,6%; 15,4%dan 14,5%.
Yadav, dkk (2011) Memproduksi etanol dari jerami padidengan Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis.
Dihasilkan yield 0,3 gram etanol/gram glukosa denganSaccharomyces cerevisiae. Untuk campuranSaccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis dihasilkan
yield 0,4 gram etanol/gram glukosa.
Metode Penelitian
Pretreatment Hidrolisis Fermentasi
Kondisi Operasi Penelitian
pH
Penyiapan enzim : 3Hidrolisis : 3Fermentasi : 5,5
Temperatur operasi
Pretreatment : 80 oCHidrolisis : 60oCFermentasi : 30°C
Waktu
Pretreatment : 16 jamHidrolisis : 48 jamFermentasi : 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 yangberukuran 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 diovenpada 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 secarakimiawi (dan memasukkan ke dalam erlenmeyer 250 ml.
Menambahkan enzim selulase dari A. niger yang sudah di ketahui aktifitasnyasebanyak 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 metodeDNS dan setiap selang waktu tertentu.
Fermentasi
Memasukkan 10 mL larutan starter kedalam 90 ml sisa larutan yang akandifermentasi ke dalam erlenmeyer 250 mldan menutup menggunakan sumbat kasa.
Melakukan inkubasi selama 2 haripada incubator shaker suhu 35 oCdan 100 rpm.
Menganalisa kadar etanolmenggunakan Gas Kromatografiserta kadar glukosa dan xilosamenggunakan HPLC.
Hasil Penelitian
Hasil PretreatmentKadar Selulosa, Hemiselulosa, dan Lignin Pada Ampas Tebu
Setelah Pretreatment
48.26
10.4018.61
57.79
23.9715.38
0.000
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
70.000
Selulosa Hemiselulosa Lignin
Kadar (%)
Tanpa Pretreatment Pretreatment NaOH
Hasil Analisa Dengan X-Ray Difraction
(XRD)
0
50
100
150
200
250
5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49
Co
un
ts
2
Untreated NaOH 1% Pretreated
Variabel I002 Iam CrI
Sebelum pretreatment 190 100 47%
Setelah Pretreatment
dengan NaOH 1%
(w/v)
243 108 55%
Indeks Kristalinitas Ampas Tebu
dengan mengunakan analisa X-Ray
Difraction
(XRD)
Hasil Hidrolisis
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
0 10 20 30 40 50 60
ko
nsen
trasi g
ula
red
uksi (g
/l)
Waktu hidrolisis (jam)
hidolisis dengan enzim selulase (setelah pretreatment)
hidrolisis dengan enzim xilanase (setelah pretreatment)
hidrolisis dengan enzim selulase+xilanase (setelah pretreatment)
hidrolisis dengan enzim selulase (tanpa pretreatment)
hidrolisis dengan enzim xilanase (tanpa pretreatment)
hidrolisis dengan enzim selulase+xilanase (tanpa pretreatment)
Hasil Analisa High Perfomance Liquid
Chromatography (HPLC)
VariabelKonsentrasi gula reduksi (g/L) Jumlah
(g/L) Glukosa Xilosa Galaktosa
Enzim
Selulase+Xilanase3.1489 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
(HPLC, ITB)
Perbandingan Konsentrasi Gula Reduksi Hasil
Hidrolisis Ampas Tebu Menggunakan Analisa HPLC
dan DNS
VariabelKonsentrasi gula reduksi Yield
(g gula/ g ampas tebu)
Analisa HPLC (g/L)
Uji DNS (g/L)
Enzim
Selulase+Xilanase6.6142 16.1140 0.4834
Enzim Xilanase 3.7200 10.9350 0.3281
Enzim Selulase 2.6173 9.3830 0.2815
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 FermentasiFermentasi Menggunakan Saccharomyces cerevisiae
Konsentrasi Etanol :1.2213 g/l larutanYield Etanol :0.2389 g/g gula reduksi(HPLC)0.2262 g/gula reduksi(DNS)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0
1
2
3
4
5
6
0 12 24 36 48
Ko
nsen
trasi eta
no
l (g
/L)
Ko
nsen
trasi g
ula
red
uksi (g
/L)
Jam ke-
Glukosa
Xilosa
Galaktosa
Etanol
Hasil FermentasiFermentasi Menggunakan Pichia stipitis
Konsentrasi Etanol :1.7844 g/l larutanYield Etanol :0.2445 g/g gula reduksi(HPLC)0.4648 g/gula reduksi(DNS)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
0
1
2
3
4
5
6
0 12 24 36 48
Ko
nsen
trasi eta
no
l (g
/L)
Ko
nsen
trasi g
ula
red
uksi (g
/L)
Jam ke-
Glukosa
Xilosa
Galaktosa
Etanol
Hasil FermentasiFermentasi Menggunakan Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis
Konsentrasi Etanol :2.8026 g/l larutanYield Etanol :0.27 g/g gula reduksi (HPLC)0.4993 g/gula reduksi (DNS)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0
1
2
3
4
5
6
0 12 24 36 48
Ko
nsen
trasi eta
no
l (g
/L)
Ko
nsen
trasi g
ula
red
uksi (g
/L)
Jam ke-
Glukosa
Xilosa
Galaktosa
Etanol
Hasil FermentasiPerbandingan Konsentrasi Etanol Hasil Fermentasi
Antara Ketiga Variabel
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5
2.75
3
0 12 24 36 48
Ko
nsen
trasi g
ula
red
uksi (g
/L)
Saccharomyces Cerevisiae
Pichia Stipitis
Campuran
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