POT - BIOFEREMENTASI BAB I PENDAHULUAN

1.1 Tujuan Adapun tujuan dari percobaan biofermentasi ini dijelaskan pada poin-poinberikut: Untuk mempelajari proses yang terjadi dalam pembuatan etanol dari selulosa. Untuk mangukur atau menentukkan yield etanol yang dihasilkan dari kertas bekas.

1.2 Prinsip Kerja Melakukan fermentasi menggunakan ragi dengan sampel berupa kertas HVS yang telah dicoret-coret dengan spidol Snowman Permanent Marker, untuk mengetahui kandungan etanol yang akan dihasilkan. Analisis kandungan dilakukan dengan meneliti indeks bias etanol yaitu dengan menggunakan alat yang disebut refraktometer.

1.3 Landasan Teori 1.3.1. Fermentasi Fermentasi berasal dari kata latin ferfere yang artinya mendidihkan. Hal ini dapat dianggap sebagai peninggalan ketika ilmu pengetahuan masih sangat awal sehingga terbentuknya gas dari suatu cairan kimia hanya dapat dianalogikan dengan proses air mendidih. Pada masa itu memang belum diketahui bahwa kejadian tersebut dapat pula terjadi oleh terbentuknya gas-gas lain dalam cairan. Salah satunya adalah CO2 yang merupakan produk samping dari fermentasi, yaitu perubahan kimia dari senyawa organik dalam keadaan aerob atau anaerob melalui kerja enzim yang dihasilkan oleh mikroba menjadi suatu senyawa organik lainnya. Bahan baku untuk proses ini sangat bervariasi, tapi biasanya adalah beberapa bentuk material tanaman yang mengandung pati seperti jagung, gandum, beras atau kentang.Pati merupakan sebuah karbohidrat kompleks, dan karbohidrat yang lain juga bisa digunakan misalnya, sukrosa (gula) biasanya digunakan untuk membuat etanol. Dalam skala industri, [Kelompok 11] 1

POT - BIOFEREMENTASIsukrosa tidak mungkin bisa digunakan sebagai bahan baku. Penghalusan glukosa memerlukan waktu yang lama jika hanya untuk digunakan dalam fermentasi. Meski demikian tidak ada salahnya untuk menjadikan gula tebu asli sebagai bahan baku dalam proses fermentasi. Tahap pertama dalam proses fermentasi adalah penguraian karbohidrat kompleks menjadi karbohidrat yang lebih sederhana. Sebagai contoh, jika bahan baku yang digunakan adalah pati dalam biji-bijian seperti gandum atau beras, maka bahan baku ini dipanaskan dengan air panas untuk mengekstrak pati dan selanjutnya dipanaskan dengan malat. Malat adalah beras berkecambah yang mengandung enzim yang dapat menguraikan pati menjadi karbohidrat yang lebih sederhana, yang disebut sebagai maltosa, C12H22O11. Maltosa memiliki rumus molekul yang sama seperti sukrosa tetapi mengandung dua unit glukosa yang saling mengikat, sedangkan sukrosa mengandung satu unit glukosa dan satu unit fruktosa. Ragi kemudian dimasukkan dan campuran dibiarkan hangat (sekitar 35C) selama beberapa hari sampai fermentasi berlangsung sempurna. Udara tidak dibiarkan masuk ke dalam campuran untuk mencegah terjadinya oksidasi etanol yang dihasilkan menjadi asam etanoat (asam cuka). Enzim-enzim dalam ragi pertama-tama mengubah karbohidrat seperti maltosa atau sukrosa menjadi karbohidrat yang lebih sederhana seperti glukosa dan fruktosa, keduanya C6H12O6, dan kemudian mengubah karbohidrat sederhana tersebut menjadi etanol dan karbon dioksida. Perubahan ini bisa ditunjukkan sebagai persamaan-persamaan reaksi kimia sederhana, meski aspek biokimia dari reaksi-reaksi ini jauh lebih rumit.

Ragi akan teracuni dan mati dengan sendirinya oleh bioetanol yang terproduksi apabila konsentrasi telah mencapai 12-15%. Dengan demikian hal ini membatasi kemurnian etanol yang bisa dihasilkan. Etanol dipisahkan dari campuran dengan metode distilasi fraksional untuk menghasilkan 96% etanol murni. Secara teori, 4% air yang terakhir tersisa tidak bisa dihilangkan dengan metode distilasi fraksional.

[Kelompok 11]

2

POT - BIOFEREMENTASIReaksi pembentukan etanol terjadi karena adanya aktivitas dari yeast yang ada pada substrat. Yeast akan menggunakan materi yang mengandung karbon seperti glukosa untuk proses respirasi. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energy Dari reaksi di atas dapat dilihat bahwa reaksi tersebut memerlukan oksigen. Apabila kondisi ini tidak terpenuhi, artinya tidak ada oksigen, maka reaksi yang terjadi adalahreaksi pembentukan etanol sebagai berikut. nC6H12O6 S. cerevisiae 2nC2H5OH + 2nCO2

Sedangkan fermentasi xylosa menjadi etanol sebagai berikut: 3nC5H10O5 Yeast 5nC2H5OH + 5nCO2

Faktor yang berperan penting dalam proses ini adalah enzim yang berasal dari sel fungi uniseluler yang biasa disebut ragi atau yeast. Adapun penjelasan dari fase-fase pertumbuhan ragi adalah sebagai berikut: 1. Fase lambat Fase ini bergantung pada perubahan lingkungan terutama dari perubahan kandungan nutrisi. Selama fase ini, massa sel-sel meningkat namun tidak terjadi pembelahan sel atau perubahan jumlah sel. 2. Fase cepat Pada fase ini terjadi pembelahan sel dan populasi berlipat ganda setiap waktu generasi. Sel akan tumbuh dan membelah diri secara eksponensial hingga jumlah maksimum. Jumlah sel yang terbentuk pada fase ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain: kandungan nutrisi, suhu, kadar oksigen, cahaya, dan keberadaan mikroorganisme lainnya. 3. Fase stasioner Pada fase ini laju pembelahan sel sebanding dengan laju kematian sel, sehingga jumlah sel hidup tetap konstan. Fase ini terjadi akibat pengurangan sumber-sumber nutrisi atau pembentukan zat racun sebagai akhir metabolisme.

[Kelompok 11]

3

POT - BIOFEREMENTASI4. Fase kematian Pada fase ini tidak ada lagi pembelahan sel dan sel-sel akan mati jika tidak dipindahkan ke media segar lainnya. Fase kematian juga terjadi secara eksponensial. Ragi membutuhkan beberapa unsur sebagai nutrisi penunjang pertumbuhannya. Unsurunsur yang dibutuhkan antara lain: 1. Karbon: merupakan sumber energi utama ragi 2. Hidrogen: berfungsi sebagai pengatur pH untuk pertumbuhan ragi 3. Oksigen: merupakan faktor pertumbuhan yang penting bagi ragi karena tidak ada oksigen sama sekali yang akan menghambat pertumbuhan ragi 4. Nitrogen: merupakan penyusun sel ragi dan mengisi 10% dari berat kering ragi 5. Belerang: merupakan unsur yang berperan pada proses biosintesis pada sel ragi 6. Fosfor: berperan penting dalam pembentukan orthophosphate, yaitu senyawa yang berfungsi sebagi substrat dan kofaktor enzim. 7. K dan Mg: berperan dalam membangun lingkungan kation di sel ragi. Ragi yang paling sering digunakan pada fermentasi glukosa menjadi etanol adalah Saccharomyces cerevisiae karena jenis ini mampu menghasilkan produk yang cukup tinggi, toleran terhadap kadar alkohol tinggi (12-20% v/v) dan tahan terhadap kadar gula yang tinggi

1.3.2 Bahan Dasar 1.3.2.1 Kertas A4 Kertas merupakan bahan dasar pada praktikum ini. Kertas kebanyakan dibuat dari kayu dengan berbagai tahapan proses. Komposisi senyawa kimia sebagian besar adalah selulosa dan sebagian kecil terdiri dari hemiselulosa dan lignin.

1.3.2.2 Selulosa

Selulosa merupakan jenis polisakarida yang paling melimpah dan merupakan konstituen utama pada setiap struktur tanaman serta diproduksi juga oleh sebagian binatang dan sebagian kecil dari bakteri. Perbedaan terbesarnya adalah pada komposisi dan struktur anatomi dari dinding sel antara tumbuhan, hewan dan bakteri. Kandungan selulosa pada kayu rata-rata 48%50% sedangkan pada bagas berkisar antara 49%-55%. Selulosa adalah polimer linier dari [Kelompok 11] 4

POT - BIOFEREMENTASImolekul D-glukosa yang merupakan ikatan bersama rantai -1,4-glycosidic. Dua unit glukosa yang berdekatan terbentuk dari eliminasi pada satu molekul air antara dua gugus hidroksil pada atom karbon 1 dan 4. Pengulangan dari rantai selulosa yang terdiri dari dua buah glukosa akan membentuk selobiosa. Struktur selobiosa dapat dilihat pada Gambar 1.CH 20H H H OH OH H OH H OH H O O CH 20H

O

H

H H OH

OH

H

OH

Gambar 1. Struktur selubiosa

Selulosa tersintesis di alam sebagai molekul individu (rantai lurus dari residu glukosil), sekitar 30 molekul individu selulosa bergabung membentuk unit yang lebih besar yang dikenal dengan nama fibril dasar (protofibril). Unit ini bergabung lagi membentuk unit yang lebih besar yang disebut dengan mikrofibril. Mikrofibril ini bergabung dan membentuk serat selulosa. Karakteriktis serat selulosa merupakan serat cukup halus, berstruktur linier, memiliki ikatan hidrogen intramolekul dan antarmolekul yang cukup tinggi. Akibatnya selulosa tidak termoplastik dan sulit untuk diuraikan tanpa bantuan bahan kimia atau enzim. Kristalin alami dari selulosa adalah suatu struktur dimana semua atom mempunyai posisi tetap dengan posisi tersendiri dari antar atom yang ada. Kumpulan kristalin merupakan kumpulan komponen molekul individu mikrofibril yang tersusun secara kuat untuk mencegah penetrasi dari enzim dan molekul yang lebih kecil seperti air. Serat selulosa di alam sebenarnya tidak murni hanya kristalin, tetapi terdapat daerah lain yang disebut daerah amorphous. Total area permukaan selulosa lebih besar daripada area permukaan serat lain dalam dimensi yang sama. Efek dari heterogennya struktur serat, dapat menyebabkan sebagian kecil serat yang terhidrasi oleh air ketika direndam dalam larutan dan beberapa pori-pori mikro dapat dipenetrasi oleh molekul yang lebih besar seperti enzim.

[Kelompok 11]

5

POT - BIOFEREMENTASIH H HO O HO HO H H OH H H H H HO O HO O H H OH H HO HO OH H H HO H H O H H HO H H HO H O O H HO O O H O HO O OH H H H H H OH H O H H O HO O H OH HO H H O HO O H H OH H OH OH H H H O H H O HO HO H O HO HO OH H O H OH H

Gambar 2. Struktur selulosa

Derajat Polimerisasi glukosa pada rantai selulosa berada pada range 7.500-15.000 untuk selulosa pada tanaman. Selain itu, glukosa pada rantai selulosa dapat berputar 1800. Hal ini disebabkan karena gugus OH yang membentuk dua jembatan H antara molekulnya sendiri (intramolekular) yang membentuk fibril dan dengan rantai tetangganya (intermolekular) akan membentuk mikrofibril. Proses degradasi selulosa dapat dilakukan oleh mikroorganisme selulotik yang berasal dari bakteri ataupun jamur. Degradasi sempurna selulosa akan melepaskan karbon dioksida (CO2) dan air pada kondisi aerobik. Pada kondisi anaerobik, akan melepaskan karbon dioksida, metana, dan air. Mikroorganisme tersebut dapat mendegradasi selulosa karena menghasilkan enzim dengan spesifikasi berbeda yang saling bekerja sama. Enzim tersebut akan menghidrolisis ikatan -1,4-glycosidic pada selulosa. Hidrolisis sempurna selulosa akan menghasilkan monomer selulosa yaitu glukosa, dan hidrolisis tak sempurna akan menghasilkan disakarida dari selulosa yang disebut selobiosa.

1.3.1.2 Hemiselulosa [Kelompok 11] 6

POT - BIOFEREMENTASIHemiselulosa merupakan rantai cabang dari polisakarida yang mengandung pentosa seperti D-xilosa dan L-arabinosa dan heksosa seperti D-glukosa, D-mannosa, D-galaktosa, 4-Omethylglucuronic dan turunan dari asetil. Hemiselulosa tidak membentuk daerah kristalin dan hal ini menyebabkan hemiselulosa menjadi lebih mudah dihidrolisis menjadi gula. Tetapi pentosa sangat sulit difermentasi menjadi etanol. Derajat polimerisasi dari hemiselulosa berada pada range dari 20 300, yakni lebih rendah dari selulosa. Struktur kimia dari hemiselulosa membuatnya sangat hidrofilik sehingga mudah menyerap air. Hal ini juga menjelaskan mengapa hemiselulosa sangat mudah dibedakan dengan selulosa. Hemiselulosa mempunyai ikatan kovalen dengan lignin dan ikatan hidrogen dengan selulosa. Sehingga hemiselulosa bertindak sebagai perekat antara selulosa dengan lignin. Xylan adalah karbohidrat utama pada hemiselulosa, karena xylan merupakan grup utama yang menyusun rantai polimer hemiselulosa. Untuk mendegradasi xylan, dibutuhkan kerja sama dari beberapa enzim hidrolitik. Dua enzim yang berperan penting untuk memecah xylan menjadi xilosa adalah endo-1,4--xylanase dan xylan 1,4--xylosidase. Kedua enzim ini membentuk oligosakarida dari pemutusan ikatan xylan dan xylan oligosakarida akan memproduksi xilosa.HO HO H OH H H O HO OH H H OH H O HO HO H H O HO H HO H OH H O H H HO H HO HO H O H H O H OH O HO OH O HO H H H H HO H O OH H O H O H H H H H O H H H H O H OH O OH OH H O H H H O H H H O H H O H H HO H H OH OH O H H OH OH HO H H O OH HO HO O H HO O H H O H H H OHO HO H OH H

OH O

H

O

Gambar 3. Struktur hemiselulosa untuk hardwood dan softwood

Pada material lignoselulosa, secara umum monosakarida dari hemiselulosa yang terbanyak adalah xilosa, termasuk juga pada bagas. Hemiselulosa memiliki karakteristik yang berbeda dengan selulosa karena memiliki ikatan yang lebih kuat dan relatif mudah untuk [Kelompok 11] 7

POT - BIOFEREMENTASIterhidrolisis menjadi monomernya. Oleh karena itu, diperlukan enzim dan yeast yang spesifik dalam mengkonversi hemiselulosa menjadi etanol.

1.3.2.3 Lignin Selain polisakarida, salah satu komponen dalam dalam kayu dan biomasa adalah lignin yang jumlahnya pada kayu sekitar 25%-30% dan pada bagas berkisar 20-30%. Lignin merupakan polimer kompleks yang cukup besar dari fenil-propana dan kelompok metoksi. Substansi polifenolik non karbohidrat melapisi dinding sel dan berfungsi seperti semen dengan lignin yang lainnya. Polimer fenil-propana pada lignin terdiri dari unit guaiacyl (G) dari prekursor trans-coniferyl-alcohol, unit syringyl (S) dari trans-sinapyl-alcohol, dan phydroxyphenyl (H) dari prekursor trans-p-coumaryl-alcohol. Secara hayati lignin dengan mudah dapat didegradasi oleh sebagian kecil organisme salah satunya adalah dengan jamur pelapuk putih karena mampu menghasilkan perxyl radical dan enzim lignolitic yang mampu mendegradasi lignin pada ikatan fenolnya. Secara kimiawi lignin dapat didegradasi oleh Sodium klorat maka senyawa polyfenol lignin akan rusak. Pada proses konversi biomasa menjadi etanol dengan proses hidrolisis dan fermentasi, kekuatan ikatan lignin menjadi penghalang dalam proses hidrolisisnya. Oleh karena itu, banyak diupayakan perlakuan untuk menghancurkan ikatan lignin seperti steaming dan perlakuan dengan jamur pelapuk putih untuk mengoptimalkan konversi polisakarida menjadi etanol. Pendegradasian lignin dapat terjadinya karena adanya enzim lignolitik dan peroxyl radical yang dapat memotong ikatan lignin. Enzim lignolitik yang dapat mendegradasi lignin diantaranya adalah lignin peroksidase (ligninase, LiP), manganese peroksidase (MnP), dan laccase (Hatakka, 2001). Lignin peroksidase pertama kali ditemukan pada jamur Phanerochaete chrysosporium. LiP mengkatalis senyawa aromatik nonfenolik, mengoksidasi senyawa amina, aromatik eter dan aromatik posiklik. Manganese peroksidase (MnP) mengoksidasi senyawa fenolik menjadi radikal fenoksi oleh oksidasi Mn(II) menjadi Mn(III) dengan H2O2 sebagai oksidannya. Laccase mengoksidasi senyawa fenolik menjadi radikal fenoksil, diamin dan senyawa inorganik. Mediator laccase adalah 2,2-azinobis (3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate) (ABTS) atau 1- hydroxybenzotriazole. Laccase mengandung empat atom tembaga dalam satu molekul. Secara umum struktur lignin yang cukup kompleks dapat dilihat pada Gambar 4. [Kelompok 11] 8

POT - BIOFEREMENTASIH2C HC HC H2OC O O H2C CH HOCH 2 O HOCH 2 CH 2 H2OC C O H2OC O HOCH 2 O HOCH 2 CH CH H2OC O HOCH 2 O H2OC H2C CH H2OC O CH H2C CH H2C HC HOCH 2 H2OC O H2OC HC H2OC O O COH 2 H2OC O CH H2COH CH 2 O H2OC O H2COH H2OC CH CH 2 CH H2COH CH 2 CH HOCH 2 O HC HC HC HOCH 2 CH COH 2 H2COH O COH 2 O HOCH 2 O CH CH H2OC H2OC O O HOCH 2 CH H2C H2OC HOCH 2 H2C H2OC CH HOCH 2 H2COH O COH 2 HC O HOCH 2 COH 2 O CH CH 2 H2OC HC HC O HOCH 2 H2C H2OC HC CH H OCH 2CO CH CH H2OC HOCH 2 CH HOCH 2 H2C CH HOCH 2 H2OC O H2OC O H2OC H2C CH H2C HOCH 2 CH HC CH H2OC O HOCH 2 HOCH 2 HC HOCH 2 CH HOCH 2 HC CH HOCH 2 O COH 2

H2OC O C CH HOCH 2 H2COH

CH CH 2

O COH 2 COH 2 O CH H2C CH H2OC COH 2 O HOCH 2 H2COH CH

CH

HOCH 2 H2C CH O

H2C H2OC C

O

Gambar 4. Struktur lignin diadopsi dari wood and cellulosic chemistry

1.3.3 Konversi Lignoselulosa Menjadi Etanol Etanol di dunia saat ini umumnya diproduksi dari turunan pati atau lebih spesifik lagi dari sukrosa, xylose atau glukosa dan lain-lain. Perkembangan terbaru etanol juga dapat dihasilkan dari biomassa yang memiliki kandungan karbohidrat yang cukup tinggi. Kandungan karbohidrat dihidrolisis dengan cepat menjadi menjadi monomer-monomer gula kemudian difermentasi menggunakan yeast seperti Sacharomyces cerevisiae(S. Cerevisiae) atau Pichia stipities (P. stipities) menjadi etanol. Secara umum proses produksi bioetanol dari material lignoselulosa terbagi menjadi empat tahap. Pertama, proses perlakuan awal atau perlakuan awal untuk mendegradasi atau mendekomposisi lignin dengan tujuan memperlancar proses reaksi hidrolisis dan fermentasi. Kedua, proses hidrolisis yaitu untuk memecah rantai polisakarida menjadi monosakarida, jika selulosa maka akan terkonversi menjadi glukosa dan jika substratnya xylan maka akan [Kelompok 11] 9

POT - BIOFEREMENTASIterkonversi menjadi xylosa. Ketiga proses fermentasi untuk mengubah monosakarida menjadi etanol, biasanya proses fermentasi menggunakan yeast Sacharomycess cerevisiae (S. Cerevisiae). Keempat proses pemurnian etanol umumnya dengan menggunakan distilasi. Secara skematik tahapan proses produksi bioetanol dari material lignoselulosa termasuk bagas

Gambar 5. Tahapan proses produksi bioetanol dari material lignoselulosa.

Proses konversi material lignoselulosa menjadi etanol masih dilakukan dengan menggunakan separated hydrolysis and fermentation (SHF), yaitu proses dimana hidrolisis dan fermentasi dilakukan terpisah (menggunakan reaktor yang berbeda). Metode SHF masih banyak digunakan di Indonesia. Saat ini proses konversi berkembang dengan menggunakan proses simultaneous saccharification and fermentation (SSF) atau kita sebut sebagai sakarifikasi dan fermentasi serempak (SSF). Proses SSF dilakukan dengan menggunakan satu reaktor untuk proses hidrolisis dan fermentasinya. Keuntungan dari proses ini adalah polisakarida yang terkonversi menjadi monosakarida tidak kembali menjadi polysakaridanya karena monosakaridanya langsung difermentasi menjadi etanol. Selain itu dengan menggunakan satu reaktor dalam prosesnya tentunya akan mengurangi biaya peralatan yang digunakan.

1.3.4 Hidrolisis dan Hidrolisis Enzimatik Metode pretreatment yang berbeda- beda telah diajukan selama beberapa dekade terakhir. Metode- metode tersebut dapat dibagi ke dalam beberapa kategori: fisika (misalnya penggilingan, penghalusan, dan iradiasi), kimia (misalnya basa, pelarutan asam, oksidator dan pelarut organik), physicochemical (misalnya, uap/ autohidrolisis, hidrotermolisis dan oksidasi

[Kelompok 11]

10

POT - BIOFEREMENTASIbasah) dan biolohis atau kombinasi. Secara umum, sulit untuk menempatkan metode- metode ini ke dalam satu kategori saja. Pengelompokan yang kasar dari berbagai metode pretreatment dapat juga dibuat berdasarkan kriteria berikut: 1. Metode berbasis asam, misalnya pretreatment pada pH rendah, yang menghasilkan hidrolisis hemiselulosa menjadi gula monomer dan meminimalkan kebutuhan hemiselulase 2. Metode yang bekerja pada keadaan yang dekat dengan kondisi netral misalnya steam pretreatment dan hidrotermolisis, melarutkan hampir semua hemiselulosa karena pelepasan asam dari hemiselulosa, misalnya asam asetat tetapi tidak selalu menghasilkan konversi menyeluruh menjadi gula monomer. Hal ini oleh karena itu memrlukan hemiselulase yang bekerja pada bagian melarut oligomer hemiselulosa. 3. Metode basa yang menyisakan bagian hemiselulosa atau dalam kasus ledakan serat amonia (Ammonia Fibre Explossion, AFEX), hampir semua hemiselulosa pada fraksi padatan. Hal ini kemudian memerlukan hemiselulase yang berkerja pada baik hemiseluase padatan maupun terlarut. Alternatif lain adalah untuk melakukan hidrolisis asam pada fraksi ini, misalnya setelah pemisahan selulosa oleh hidrolisis enzimatik. Enzim memiliki kemampuan mengaktifkan senyawa lain secara spesifik dan dapat meningkatkan kecepatan reaksi kimia yang akan berlangsung lama apabila tidak menggunakan enzim. Enzim memiliki ukuran yang sangat besar apabila dibandingkan dengan substrat atau gugus fungsional targetnya. Beberapa enzim hanya terdiri dari polipeptida dan tidak mengandung gugus kimiawi selain residu asam amino. Hidrolisis enzimatik memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan hidrolisis asam, diantaranya dapat menurunkan resiko korosi pada alat proses serta mengurangi kehilangan energi pada bahan bakar produksi. Kekurangan dari hidrolisis enzimatik ini adalah lajunya akan menurun seiring meningkatnya konsentrasi glukosa di dalam reaktor. Inhibisi oleh glukosa ini pada akhirnya akan menghentikan proses hidrolisis kecuali ada mekanisme khusus untuk mengambil glukosa yang terbentuk.

[Kelompok 11]

11

POT - BIOFEREMENTASIEnzim yang digunakan untuk menghidrolisis selulosa menjadi glukosa adalah enzim selulase. Karena strukturnya yang rigid, selulosa kristalin resisten terhadap aksi individual selulase. Konversi efektif dari selulosa menjadi monosakarida hanya dimungkinkan oleh kerja sinergis dari ketiga subgroup selulase berikut : 1. Endo--1,4-Dglukanase yang memecah ikatan internal glukosidik yang berada di antara rantai glucan yang utuh 2. Exo--1,4-D-glukanase/exo--1,4-D-selobiohidrolase yang memecah dimer selubiosa dari rantai glucan dan melepaskannya ke dalam larutan 3. -glucosidase yang menyempurnakan hidrolisis selulosa menjadi glukosa dengan memecah selubiosa menjadi monomer glukosa

Endoglukonase diduga menyerang bagian tengah dari daerah yang kurang teratur dari selulosa, sementara selobiohidrolase menyerang area kristalin pada ujung rantai yang berlawanan. Aktivitas kedua tipe enzim ini disebut sinergisme endo-ekso. Suatu model endoekso yang telah disederhanakan adalah endoglukanase menghidrolisis selulosa secara internal, karenanya menghasilkan lebih banyak ujung bebas yang dapat diikat oleh selobiohidrolase dan memulai hidrolisis. Sinergisme yang diamati ini karena peningkatan substrat untuk selobiohidrolase. Selobiohidrolase juga bersikap progresif sepanjang rantai selulosa sehingga menghilangkan rantai selulosa dari mikrofibril dan memunculkan situs baru yang akan diserang endoglukonase. Selo-oligosakarida yang lebih kecil dihidrolisis lebih jauh oleh selobiohidrolase dan beta-glukosidase. Namun demikian proses hidrolisis yang terjadi tidak semuanya sempurna, karena ada sebagian dari selulosa yang terhidrolisis menjadi selubiosa yang merupakan bentuk dari disakarida. Proses tersebut dikenal sebagai hidrolisis parsial. Selobiase sebenarnya ada dalam satu komponen enzim selulase yang kompleks yang berfungsi untuk memecah selubiosa menjadi glukosa. Namun semenjak diketahui bahwa keberadaan enzim selubiase dalam selulase hanya sedikit karena lebih didominasi oleh enzim endoselulase dan exoelulase sehingga tidak cukup optimal jika hanya mengandalkan selubiase yang berada dalam selulase. Penambahan dari eksternal enzim selubiase dalama sebuah reaksi enzimatic dari selulosa menjadi glukosa sangat dianjurkan.

[Kelompok 11]

12

POT - BIOFEREMENTASIEnzim yang digunakan untuk menghidrolisis hemiselulosa menjadi xylosa adalah enzim xylanase. Xilanase merupakan enzim ekstraseluler yang dapat menghidrolisis xilan menjadi xilosa dan xilo-oligosakarida. Xilanase dapat dimanfaatkan untuk proses pemutih kertas, campuran pakan ternak, penjernihan sirup, pembuatan gula xilosa, dan sebagainya. Penggunaan xilanase untuk mengurangi pemakaian klorin dalam pemutih kertas telah memberikan peluang untuk aplikasi bioteknologi dan sekarang telah digunakan pada beberapa pabrik kertas. Bahan enzim untuk proses pemutihan kertas dipilih xilanase yang bersifat termostabil dan tahan pada pH alkali. Enzim xilanase dapat diproduksi dari limbah tanaman pangan seperti limbah biji kedelai. Secara teoritis reaksi hidrolisis selulosa menjadi glukosa adalah sebagai berikut: [C6H10O5 ]n + nH2O Selulase nC6H12O6 Sedangkan reaksi hidrolisis parsial selulosa menjadi celubiosa sebagai berikut: (C6H10O5)n + n/2 H2O enzim selulase n/2(C12H22O11) Sdeangkan reaksi hidrolisi selubiosa menjadi glukosa sebagai berikut (C12H22O11) + H2O enzim selulase C6H12O6) Secara teoritis reaksi hidrolisis hemiselulosa khususnya xylan menjadi xylosa dapat ditulis sebagai berikut: [C5H8O4 ]n + nH2O Xylanase nC5H10O5

1.3.5 Sakarifikasi dan Fermentasi Serempak Secara umum sintesis bioetanol yang berasal dari biomassa terdiri dari dua tahap utama, yaitu hidrolisis dan fermentasi. Pada metode terdahulu proses hidrolisis dan fermentasi dilakukan secara terpisah atau Separated Hydrolisys and Fermentation (SHF) dan yang terbaru adalah proses Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) atau Sakarifikasi dan Fermentasi Serempak (SFS). Satu diantara beberapa keuntungan dari proses SSF adalah hidrolisis dan fermentasi dilakukan dalam satu wadah atau reaktor sehingga dapat berlangsung secara efisien. [Kelompok 11] 13

POT - BIOFEREMENTASIHidrolisis bertujuan untuk memecah polisakarida menjadi monosakarida sehingga dapat langsung difermentasi oleh yeast. Pada penelitian ini hidrolisis dilakukan secara biologis, yaitu menggunakan enzim. Enzim yang digunakan harus sesuai dengan polisakarida yang akan dihidrolisis. SSF pertama kali dikenalkan oleh Takagi et al , yaitu kombinasi antara hidrolisis menggunakan enzim dengan fermentasi gula menjadi etanol secara simultan. Proses SSF sebenarnya hampir sama dengan dengan proses yang terpisah antara hidrolisis dengan enzim dan proses fermentasi, hanya dalam proses SSF hidrolisis dan fermentasi dilakukan dalam satu reaktor. Secara singkat reaksi yang terjadi melalui proses Simultaneous Sacharificatian dan Fermentation (SSF) dapat dilihat pada Gambar 6. Keuntungan dari proses ini adalah selulose yang terkonversi menjadi monosakarida tidak menggangu reaksi hidrolisis karena langsung di difermentasi menjadi etanol. Selain itu dengan dalam proses SSF reaksi dilakukan dalam satu reaktor sehingga akan mengurangi biaya produksi.

H O HO O HO H H H

O HO H H H

H OH O H H O HO H HO

H O HO H H

H O HO OH H OH H H HO H O H O

OH

selulosa

Hidrolisi dengan enzim selulase

H HO O HO H H OH HO H

H OH

OH O H H H OH

+H

HO

HO H

HO

Glukosa

S. cerevisiae

Glukosa

C2H5OH

Gambar 6. Skema reaksi dalam proses Simultaneous Sacharification dan Fermentation (SSF)

[Kelompok 11]

14

POT - BIOFEREMENTASI

1.3.6 Refraktometer Kebanyakan objek yang dapat kita lihat, tampak karena obyek itu memantulkan cahaya ke mata kita. Pada pantulan yang paling umum terjadi, cahaya mematul ke semua arah, atau pantulan baur. Sebuah buku di atas meja yang disinari oleh hanya sebuah sumber titik cahaya dapat dilihat dari segenap penjuru ruangan. Misalkan suatu zat adalah udara dan air. Tempuhan cahaya yang dilukiskan sebagai berkas sinar akan terlihat jelas jika ada asap atau debu di udara, dan jika air itu mengandung sedikit bahan celup fluoresen. Sebagian dari cahaya yang datang akan dipantulkan oleh permukaan tersebut dan sebagian lagi akan terus ke dalam air atau membias. Arah sinar datang, sinar pantul, dan sinar bias ini ditentukan berdasarkan besar sudut yang dibentuknya dengan garis yang tegak lurus pada permukaan di titik datang. Kecepatan merambat gelombang cahaya tidak sama dalam semua media, oleh karena itu apabila suatu berkas cahaya akan dibiaskan, sudut datang tidak sama dengan sudut bias. Besar sudut datang dan sudut bias bergantung pada berat jenis, temperatur, dan jenis media yang dilewati serta panjang gelombang cahaya datang.

Nilai indeks bias yang didapatkan inilah yang nantinya akan menjadi acuan untuk menentukan konsentrasi zat yang dianalisis.

1.3.7 Percobaan Sejenis dengan Menggunakan Bahan Baku Kertas A4 yang Dicoret-coret Spidol Salah satu bahan baku penting adalah bahan-bahan yang mengandung lignoselulosa. Proses produksi bioethanol dengan bahan ini disebut proses produksi 2nd generation. Biomassa lignoselulosa di alam, paling banyak berasal dari kayu keras, kayu lunak, rumput, dan residu pertanian. Etanol yang dihasilkan dari bahan lignoselulosa memiliki potensi untuk menjadi pengganti atau pelengkap, bensin. Seiring dengan perjalanannya, hal ini telah meningkatkan minat dalam komersialisasi teknologi untuk produksi ethanol dari berbagai bahan baku selulosa yang dianggap murah. Berbagai macam proses untuk produksi etanol dari bahan selulosa telah [Kelompok 11] 15

POT - BIOFEREMENTASIdipelajari dan sedang dalam pengembangan. Komponen utama selulosa biomassa serta produk hydroylysis merekadisajikan pada Gambar 7.

Gambar 7. komponen selulosa dan komponen hidrolisisnya.

Proses produksi bioethanol pada industri dengan bahan bubur kertas disajikan di bawah ini. Langkah-langkah sistematik disajikan pada Gambar 8.

Gambar 8. proses pembuatan etanol

Proses dijelaskan di bawah ini difokuskan pada dua bagian utama: 1. Bagian Reaksi: Gula (glukosa, manosa) konversi menjadi etanol 2. Pemisahan Bagian: pemisahan Etanol

Kertas mengandung lignin selulosa, dimana salah satu hambatan untuk produksi etanol dari biomassa ligniselulosa adalah bahwa gula yang diperlukan untuk fermentasi terjebak di dalam lignoselulosa tersebut. Lignoselulosa telah berkembang untuk melawan degradasi dan [Kelompok 11] 16

POT - BIOFEREMENTASIuntuk memberikan stabilitas hidrolitik dan ketahanan struktural untuk dinding sel pada tanaman. Ketahanan ini disebabkan oleh hubungan antara polisakarida (selulosa dan hemiselulosa) dan lignin melalui ester dan eter yang saling keterkaitan. Hubungan Ester timbul antara gula teroksidasi, asamuronic, dan fenol dan fungsi phenylpropanols dari lignin. Untuk mengekstrak gula untuk difermentasi, yang pertama kali harusdilakukan adalah melepas selulosa dari lignin, dan kemudian asam menghidrolisis selulosa baru yang akan mengkonversi selulosa tersebut menjadi monosakarida sederhana. Tantangan lain untuk fermentasi biomassa adalah persentase yang tinggi dari pentosa dalam hemiselulosa, seperti xylose,atau gula kayu. Tidak seperti heksosa, misalnya glukosa, pentosa sulit untuk difermentasi. Dalam kertas pada umumnya, terdapat 61% selulosa, 21% hemiselulosa, dan 16% lignin. Selulosa dan hemiselulosa merupakan karbohidrat kompleks yang dapat dihidrolisasi menjadi monomernya: glukosa dan xilosa. Terdapat dua cara hidrolisis selulosa yang banyak digunakan, yaitu hidrolisis kimia (dengan asam) dan hidrolisis enzimatik (dengan selulase). Pada percobaan kali ini, hidrolisis yang digunakan adalah hidrolisis asam. Proses konversi kertas bekas menjadi etanol dilakukan dalam beberapa langkah proses. Proses tersebut terangkum dalam bagan berikut :

kertas A4 bercoret spidol

Pencacahan Kertaslarutan gula

Hidrolisis kimia

Distilasi

Fermentasi

Detoksifikasi

Gambar 9. Bagan proses fermentasi selulosa ( kertas)

Setelah proses fermentasi selesai, tersisa etanol, air, sel ragi, dan zat-zat lainnya dalam skala kecil. Dalam literatur-literatur yang ada, etanol yang terbentuk dalam proses fermentasi [Kelompok 11] 17

POT - BIOFEREMENTASIdengan hidrolisis asam cukup kecil, yaitu hanya sebesar 10-35 g/l. Jumlah ini dipengaruhi oleh kecilnya komposisi gula hasil hidrolisis yang digunakan, yaitu sekitar 20-80 g/l.

1.4 Alat dan Bahan 1.4.1.Peralatan Tabung reaksi Pipet tetes Shaking water bath Refraktometer Penjepit tabung reaksi Gelas ukur 10 ml Gelas beaker Sentrifuge Tabung mikrosentrifuge

1.4.2.Bahan Kertas A4 yang dicoret-coret spidol Aquades 2 mL H2SO4 18 M Ragi yang ditumbuk halus

[Kelompok 11]

18

POT - BIOFEREMENTASI BAB II PENGOLAHAN DATAII.1 Bagan Prosedur Percobaan A. Tahap Preparasi Kertas

Kertas A4 bercoret spidol

Sampel dipotong sebesar 5X5mm, 10gr

Sampel + 300mL aquades di blender

Dibilas dengan 100mL aquades

Menimbang residu sampai 20 gram

Menyaring sampel

Mengukur pH sampel dengan pHmeter

B. Tahap Hidrolisis dengan 10M H2SO4 Menambahakan 300 mL aquades.

Menambahkan 2 mL H2SO4

Mendinginkan sampel hingga 30oC

Mengaduk dengan shaking water bath 1jam.

[Kelompok 11]

19

POT - BIOFEREMENTASIC. Tahap Fermentasi Menimbang ragi dengan perbandingan 1:1 dengan berat sampel.

Mencampurkan ke larutan sampel

Meletakkan larutan ke shaking water bath keadaan off minimal 48 jam, suhu 450C.

D. Tahap Harvesting

Larutan sampel hasil fermentasi

Memasukkan ke dalam tabung mikro sentrifuge

Mengambil larutan sampel yang telah terpisah dari padatan

setrifuge 10.000 rpm

E. Analisis dengan Refraktometer

Larutan etanol hasil harvesting 70%

0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%

Meneteskan variasi larutan etOh pada refraktometer

Mencari nilai indeks bias etOH

Meneteskan sampel ke refraktometer

Membuat kurva kalibrasi etOH

[Kelompok 11]

20

POT - BIOFEREMENTASIII.2 Tabel Percobaan A. Tahap Preparasi Kertas No. 1. Prosedur Kerja Menggunakan kertas bekas sebagai sampel. Hasil Pengamatan Kertas bekas yang digunakan adalah kertas HVS (plain) kemudian dicoret-coret menggunakan spidol hitam 2. Memotong kertas dengan ukruran 5x5mm dengan berat potongan kertas awal 10 gram. Berat awal potongan majalah : 10 gram

3.

Menambahkan 300 mL aquades ke Warna larutan menjadi hitam (mendekati pekat) dalam blender. Menghancurkan potongan kertas majalah blender. dengan menggunakan

4.

Membilas

kertas

majalah

dari

Warna larutan pun tetaphitam

blender dengan menambahkan 100 mL aquades.

5.

Mengukur pH sampel dengan pH meter.

pH sampel 7,2 7 netral

[Kelompok 11]

21

POT - BIOFEREMENTASI

6.

Menyaringsampeldenganpenyaring.

Sampel yang tersisa diperas sehingga kadar air yang tersisa seminimal mungkin

7.

Menimbang berat sampel yang akan dihidrolisis seberat 20 gram.

Berat sampel = 20,1603 gram

B. Tahap Hidrolisis dengan H2SO4 No. 1. Prosedur Kerja Menambahkan sampel dengan aquades volume pada yang Hasil Pengamatan Sampel diletakkan pada gelas beaker.

sama, yaitu 300 ml. Mengaduk larutan.

2.

Menambahkan 18M H2SO4 10% - Penambahan H2SO4 sebanyak 2 ml di dalam ruang dari berat sampel yang sudah disaring. asam. - Perubahan warna tidak begitu kelihatan, atau sama saja.

[Kelompok 11]

22

POT - BIOFEREMENTASI- Sampel mengapung perlahan. - Muncul busa-busa

3.

Melakukan proses pengadukan dengan dengan shaking kecepatan water 210 bath rpm

selama kurang lebih satu jam pada suhu 1000C. ini Proses dengan

pengadukan

menggunakan sistem refluks. 4. Melakukan proses pendinginan Gumpalan sampel menyebar dalam larutan dan sampel reaksi untuk hidrolisis menghentikan sebagian berceceran (karena guncangan dan tidak yang terjadi ditutup)

hingga sampel berada pada suhu Suhu akhir 350C ruang, sekitar 300C.

C. Tahap Fermentasi No. 1. Prosedur Kerja Menimbang perbandingan ragi 1:1 dengan Hasil Pengamatan dengan Berat ragi = 18 gram berat

sampel. Menghancurkan ragi hingga halus.

[Kelompok 11]

23

POT - BIOFEREMENTASI2. Mencampurkan dan mengaduk ragi ke dalam larutan sampel.

Labu menjadi lebih hangat 3. Meletakkan larutan sampel ke

shaking water bath dalam keadaan off yang digunakan sebagai

inkubator fermentasi selama kurang lebih 48 jam pada suhu 450C.

D. Tahap Harvesting No. 1. Prosedur Kerja Mengambil larutan sampel Hasil Pengamatan dari -larutan sampel berwarna hitam

ruang indikator.

2.

Memasukkan larutan sampel ke Tabung micro yang digunakan bervolume 1,5mL dalam tabung mikro sentrifuge.

3.

Mensetrifuge

dengan

kecepatan

10.000 rpm selama 2 menit.

[Kelompok 11]

24

POT - BIOFEREMENTASI4. Mengambil larutan sampel yang telah terpisah dari padatan kertas dan memasukkannya ke dalam tabung reaksi. Larutan dan sedikit sisa kertas sampel terpisah

E. Tahap Analisa dengan Refraktometer No. 1. Prosedur Kerja Hasil Pengamatan

Membuat larutan etOH kandungan -larutan etOH berwarna bening 70% menjadi beberapa variasi

konsentrasi, yaitu 0%, 20%, 40%, 60%,80%, dan 100%. 2. Meneteskan variasi larutan etOH ke refraktometer.

3.

Membuat kurva kalibrasi etOH.

Pembuatan kurva dilakukan denga menggunakan Ms. Excel

4.

Meneteskan refraktometer.

larutan

sampel

ke

5.

Mencari nilai konsentrasi etOH yang Perhitungan dapat dilihat pada pengolahan data. terkandung dalam sampel dengan Diperolehindeks bias padarefraktometersebesar persamaan dari kurva kalibrasi. 1,3405

[Kelompok 11]

25

POT - BIOFEREMENTASIII.3 Perhitungan Konsentrasi Etanol Sampel yang kami buat dari hasil percobaan ini kami masukan ke dalam spektofotometri dan di dapatkan nilai absorbansinya adalah 1.3405. Setelah itu, dilakukan perhitungan dengan menggunakan fungsi garis hubungan antara konsentrasi etanol dan nilai indeks bias, maka akan didapatkan nilai konsentrasi etanol dalam sampel percobaan yang sudah dibuat. Berdasarkan anjuran dari asisten praktikum, kurva hubungan konsentrasi etanol dan nilai indeks bias yang kami pergunakan adalah hasil percobaan kelompok yang pertama kali melakukan percobaan ini.Pada percobaan ini didapatkan bias dari etanol kalibrasi adalah sbb :

Konsentrasi etOH (%) Bias

0 1,3394

14 1,3416

28 1,3426

42 1,3458

56 1,3490

70 1,3505

Kurva kalibrasi refraktometer1.3520 1.3500 1.3480 bias 1.3460 1.3440 1.3420 1.3400 1.3380 0 20 40 % etanol 60 80 Series1 Linear (Series1) y = 0.0001654x + 1.3390190 R = 0.9806905

y = 0.0001654 x + 1.3390190 diketahui indeks bias refraktometer i = 1.3405, maka: 1.3405 = (0.0001654 [% etOH sampel] + 1.3390190) [% etOH sampel] = [Kelompok 11] 26

POT - BIOFEREMENTASI[% etOH sampel] = 8.9540508 Jadi konsentrasi etanol yang dihasilkan adalah 8.95%.

Kemudian untuk mengetahui jumlah etanol yang dihasilkan pada percobaan ini, bisa dihitung jumlah molnya. Jumlah larutan yang difermentasi adalah 300 ml.

Pada 10 gram kertas HVS yang dicoret dengan spidol hitam yang digunakan menghasilkan 0.02685 mol etanol, atau dengan kata lain kertas HVS yang dicoret dengan spidol hitam akan menghasilkan 0.02685 mol/gram. Apabila etanol tersebut diolah dan dijadikan sumber energi lain maka perlu diketahui energi pembakaran yang diperlukan. Maka entalpi pembakaran etanol adalah:

C2H5OH + O2 CO2 + H2O H = -638 kJ

Maka energy pembakaran etanol adalah 17.1303 kJ/gram kertas HVS yang dicoret-coret spidol.

[Kelompok 11]

27

POT - BIOFEREMENTASI BAB III ANALISIS

III.1 Analisis Percobaan Percobaan biofermentasi ini bertujuan untuk mengetahui proses pembuatan etanol (2nd generation) dari selulosa dan mengukur kandungan dari etanol yang dibuat pada percobaan ini. Percobaan ini menggunakan kertas HVS, hal ini dikarenakan kertas HVS merupakan salah satu sumber selulosa yang mudah didapatkan. Untuk percobaan ini kertas HVS yang digunakan praktikan adalah kertas yang telah dicoret-coret spidol Snowman Permanent Marker, tujuannya adalah untuk membandingkan pengaruh adanya penganggu pada kertas terhadap konsentrasi etanol yang akan dihasilkan. Hal pertama yang dilakukan praktikan adalah melakukan pretreatment kertas untuk fermentasi. Pretreatment bertujuan untuk membuka struktur selulosa sehingga memudahkan proses pemecahan polisakarida menjadi monosakarida (monomer gulanya). Pada prosedur tidak dilakukan delignifikasi karena pada kertas HVS putih yang baik hampir tidak memiliki lignin karena telah dibuang saat proses pembuatan kertas. Kertas HVS yang telah dicoret-coret dengan spidol dipotong kecil-kecil (+/- 5 x 5 mm) lalu dihaluskan dengan cara diblender, tetapi sebelumnya dimasukan pula 300mL akuades ke dalam blender. Proses penghalusan ini bertujuan memperkecil ukuran bahan selulosa dan memecah ikatan kimia pada rantai molekul yang panjang. Bubur kertas berwarna abu-abu, karena pada kertas terdapat sisa tinta board marker.Bubur kertas hasil penghalusan lalu disaring dan dibilas dengan akuades lagi untuk menghilangkan zat-zat pengotor seperti tinta dan sebagainya. Setelah itu ampas yang telah diperas tadi ditimbang hingga 20gram, kemudian ditambah air lagi sehingga menjadi pulp. Pulp ini kemudian diukur pH nya menggunaka pHmeter yang telah dikaliberasi sebelumnya. Tujuan kalibrasi adalah untuk standarisasi nilai pH pada pHmeter. Jika larutan bersifat asam dinetralkan dengan menambahkan basa (NaOH), jika bersifar basa dinetralkan dengan penambahan asam (CH3COOH). Hasil akhir dari langkah ini adalah sampel kertas basah dengan pH netral. Pada percobaan yang dilakukan praktikkan, didapat pH 7,2 sehingga tidak ditambah asam maupun basa karena dianggap netral.

[Kelompok 11]

28

POT - BIOFEREMENTASITahap selanjutnya merupakan tahap hidrolisis kertas. Hidrolisis bertujuan untuk memecah polisakarida pada kertas, yaitu selulosa dan hemiselulosa, menjadi monomer gula penyusunnya atau glukosa. Monomer gula yang selubiosa dan D-glukosa. Metode hidrolisis yang digunakan berupa hidrolisis dengan bantuan asam pekat menggunakan asam sulfat (H2SO4). Metode ini digunakan karena prosesnya cepat dan mampu memecah polisakarida dengan tepat sehingga menghasilakn glukosa yang tinggi sekitar 90%. Tahap ini dilakukan dengan

menambahkan asam sulfat 18 M pada sampel. Setelah ditambahkan asam sulfat, terjadi perubahan dalam cairan kertas, yaitu molekul-molekul kertasnya mengambang keatas. Perubahan ini dapat menandakan bahwa proses hidrolisisnya mulai terjadi. Cairan lalu dipindahkan ke dalam labu Erlenmeyer untuk memudahkan ketika dimasukan ke dalam shaking water bath. Di dalam shaking water bath ini dilakukan pengadukan dan pemanasan terhadap cairan kertas. Cairan kertas diaduk dengan kecepatan 200 rpm dan dipanaskan dengan suhu 100oC. proses pemanasan dan pengadukan ini dilakukan selama satu jam dan menggunakan sistem refluks. Pemanasan dan pengadukan bertujuan untuk mempercepat dan mengoptimalkan proses hidrolisis sehingga didapatkan glukosa yang tinggi. Ketika proses pengadukan dan

pemanasan selesai, ternyata cairan kertas praktikan sedikit tumpah sehingga anatinya akan berpengaruh terhadap jumlah-jumlah bahan yang akan ditambahkan pada prosedur-prosedur praktikum selanjutnya. Setelah dikeluarkan dari shaking water bath, dilakukan proses pendinginan sampel untuk menghentian reaksi hidrolisis yang terjadi hingga sampel berada pada suhu sekitar 300C. Langkah selanjutnya merupakan tahap fermentasi anaerob dengan menggunakan ragi tape atau Saccharomycess cereviceae. Agar proses konversi optimum, ragi yang digunakan memiliki perbandingan 1:1 dengan subsrat. Karena substratnya seberat 20 gram, maka ragi yang digunakan adalah sekitar 20 gram pula. Ragi ini mengandung enzim zimase dan bertindak sebagai katalis untuk mengubah sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa. Fruktosa dan glukosa kemudian diubah menjadi etanol dan karbondioksida dengan katalis enzim invertase 23. Proses fermentasi seharusnya dilakukan dalam fermentor, karena fermentor rusak, sehingga digunakan sebuah shaking water bath dalam keadaan off sebagai inkubator fermentasi selama 5 hari pada suhu 46,70C. Suhu dan waktu fermentasi sangat penting untuk tetap diperhatikan karena berpengaruh pada hasil fermentasi. Suhu optimum fermentasi dengan ragi adalah sekitar 28 0C 350C. Namun pengkondisian suhu praktikum sebesar 46,70C. Hal ini jelas menunjukkan bahwa [Kelompok 11] 29

POT - BIOFEREMENTASIproses fermentasi tidak dilakukan dalam kondisi optimum. Hal ini akan menyebabkan yield etanol yang dihasilkan tidak optimum. Sedangkan lama fermentasi menunjukkan waktu yang sesuai untuk menghasilkan kadar etanol yang optimum. Semakin lama fermentasi kadar alkohol yang dihasilkan akan optimum, namun jika terlalu lama maka akhirnya menurun. Hasil fermentasi ini berupa etanol dan karbondioksida. nC6H12O6 S. cerevisiae 2nC2H5OH + 2nCO2

Setelah lima hari, proses fermentasi dihentikan. Cairan kertas berbau seperti susu kedelai, ini membuktikan bahwa ragi-nya telah bekerja. Cairan kertas kemudian disaring kembali untuk diambil hanya larutan etanolnya saja. Kemudian cairan kertas hasil fermentasi di sentrifugasi untuk memisahkan komponen-komponen pengotor atau residu kertas dengan etanol. Prinsip sentrifugasi ini didasarkan pada ukuran dan densitas masing-masing zat, dimana zat yang paling ringan akan berada diatas dan zat yang paling berat akan berada di dasar tabung sentrifugasi karena tarikan gaya gravitasi. Cairan kertas fermentasi diambil sedikit lalu dimasukkan ke dalam 2 tabung mikro. Setelah itu dimasukkan ke dalam sentrifuge, penempatan tabung mikro di dalam lubang-lubang sentrifuge harus datur sedemikian rupa simetris agar proses sentrifugasi dapat optimal. Cairan kertas fermentasi ini disentrifugasi selama 5 menit dengan kecepatan 10.000 rpm. Hasil sentrifugasi berupa larutan bening supernatant pada bagian atas tabung (etanol) serta sisa kertas dibawah tabung. Etanol hasil sentrifugasi kemudian dianalisis dengan refraktrometer, digunakan alat ini karena penggunaannya mudah dilakukan. Alat ini dapat menentukan konsentrasi suatu zat berdasarkan nilai indeks bias-nya. Untuk etanol hasil percobaan ini memiliki nilai indeks bias yaitu sebesar 1,3405.

III.2 Analisis Data dan Perhitungan ` Konsentrsi etanol yang terkandung dalam sampel kertas HVS yang di coret dengan spidol

Snowman hitam yang telah difermentasi dapat diukur dengan menggunakan persamaan kalibrasi alat refraktometer. Kalibrasi dilakukan dengan membandingkan konsentrasi etanol dari beberapa variasi persentase volume etanol 70% dengan indeks bias yang terukur dalam refraktometer.

[Kelompok 11]

30

POT - BIOFEREMENTASIPada percobaan yang dilakukan kelompok sebelumnya didapatkan persamaan kalibrasi refraktometer adalah sebesar: y = 0.0001654 x + 1.3390190 Hasil pengukuran indeks bias sampel dengan refraktometer menunjukkan i = 1.3405 sehingga dengan menghubungkan indeks bias sebagai sumbu y dan persentase etanol sebagai sumbu x akan diperoleh konsentrasi etanol sampel adalah sebesar 8.9540508 % atau 8.95 %. Hal ini menunjukan bahwa monosakarida yang terkandung masih ada yang tersisa dan dapat ditingkatkan yieldnya beberapa persen lagi. Untuk meningkatkan yield etanol, hal yang dapat dilakukan adalah mengurangi volume air yang digunakan, sehingga menghemat air dan menaikan konsentrasi yield etanol. Konsentrasi etanol sampel ini lebih kecil dari pada pembanding lainnya, yaitu kertas HVS yang telah di-print dan HVS yang dicoret pulpen Faster hitam yang memberikan hasil masing-masing 12.89% dan 21.65% dengan indeks bias masing-masing 1.34115 dan 1.3426. Perbandingan indeks bias dan konsentrasi etanol tiap variasi kertas yang terhidrolisis ditunjukkan pada tabel di bawah ini: Kertas yang dihidrolisis HVS+coretan spidol hitam HVS+coretan tinta printer HVS+coretan pulpen hitam Indeks Bias 1.3405 1.34115 1.3426 Yield Etanol (%) 8.95 12.89 21.65

Ketiga sampel ini dihidrolisis oleh H2SO4 18M sebanyak 2 ml sehingga perbedaan konsentrasi yang terjadi disebabkan oleh adanya perbedaan inhibitor di tiap sampel. Kandungan etanol pada sampel HVS yang dicoret dengan spidol hitam memberikan hasil terendah dibanding dengan penggunaan kertas lain. Ini dikarenakan pada saat fermentasi, inhibitor (tinta spidol hitam) yang terdapat dalam sampel lebih menghambat perubahan atau reaksi kimia yang terjadi dalam proses fermentasi dibanding dengan inhibitor tinta lain. Inhibitor akan menghambat perubahan glukosa menjadi etanol dan karbondioksida yang dikakukan oleh enzim zimase dan enzim invertase 23 pada ragi atau jamur Saccharomycess cereviceae. [Kelompok 11] 31

POT - BIOFEREMENTASILangkah pertama dalam hidrolisis enzimatik adalah adsorpsi enzim hidrolitik ke substrat. Enzim dapat mengikat baik zat reaktif maupun zat non-reaktif (seperti lignin). Lignin yang terdapat pada kertas dapat mengadsorb enzim secara irreversible dan menurunkan aktifitasnya terhadap substrat reaktif. (Lee and fan 1983; Ooshima et al. 190). Akan tetapi, adanya inhibitor akan menyebabkan enzim tersebut berikatan dengan inhibitor sehingga proses fermentasi menjadi tidak optimal. Proses fermentasi dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu keasaman (pH), mikroba yang digunakan, suhu, waktu, dan nutrisi. Suhu fermentasi sangat menentukan macam mikroba yang dominan. Alkohol lebih banyak terbentuk pada suhu 10-30oC karena ragi bekerja optimal pada suhu itu. (Winarno, 1984). Akan tetapi, setelah tahap hidrolisis yang dilanjutkan dengan pendinginan, praktikan sulit untuk mencapai suhu ruangan atau +/- 270C dan hanya dapat mendinginkannya hingga 380C, sehingga pada suhu tersebut ragi sudah dimasukkan ke dalam labu Erlenmeyer dan hal ini dapat mempengaruhi proses fermentasi. Adanya inhibitor tinta juga berpengaruh terhadap perubahan pH sehingga pH yang terlalu asam atau basa dapat menurunkan yield etanol maksimum yang dapat dihasilkan oleh kertas HVS. Selain konsentrasi yield etanold, mol etanol yang diperoleh dalam sampel HVS yang dicoret spidol juga dihitung dan diperoleh n = 0.02685 mol/gr kertas HVS. Jumlah yang dihasilkan memang tergolong sangat kecil jika dibanding dengan sumber bahan bioetanol yang banyak digunakan, yaitu jagung, singkong, tebu dll.

III.3 Analisis Kesalahan Dalam percobaan pembuatan etanol dari limbah kertas menggunakan dengan biofermentasi ini terdapat beberapa kesalahan yang mengakibatkan hasil yang diperoleh dalam percobaan ini menjadi tidak akurat, diantaranya: 1. Konversi glukosa menjadi etanol sangat tergantung oleh mikroba atau ragi yang digunakan, sehingga rendahnya yield etanol yang dihasilkan kemungkinan dikarenakan oleh ragi yang berkualitas kurang baik, sehingga proses fermentasi menjadi tidak optimal. 2. Kesalahan paralaks yang dilakukan praktikan ketika melakukan pengukuran nilai indeks bias di refraktrometer. Hal ini dapat mempengaruhi nilai kandungan etanol. [Kelompok 11] 32

POT - BIOFEREMENTASI3. Suhu saat fermentasi yang tidak sesuai dengan suhu optimal ragi S. creviseae untuk dapat dapat menghasilkan etil alkohol (etanol) dan CO2.

[Kelompok 11]

33

POT - BIOFEREMENTASI BAB IV KESIMPULAN

1. Dengan menggunakan refraktometer dapat diketahui indeks bias etanol yang dihasilkan dalam percobaan ini yaitu sebesar 1.3045. 2. Dengan menggunakan persamaan pada kurva kalibrasi dapat dihitung konsentrasi etanol pada percobaan ini yaitu sebesar 8.95%. 3. Kertas A4 yang dicoret-coret spidol memiliki kandungan monosakarida yang bisa dikonversi menjadi etanol. 4. Yield Etanol yang dihasilkan dari kertas A4 yang dicoret-coret dengan spidol kecil yaitu 0,02685 mol etanol/ gram kertas A4 yang docoret-coret spidol sehingga diperlukan penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan yield etanol. 5. Proses pembuatan etanol dari kertas terdiri atas tahap hidrolisis dan fermentasi. Selulosa dikonversi bertahap hingga menghasilkan etanol dengan bantuan larutan penghidrolisis dan mikroorganisme.

[Kelompok 11]

34

POT - BIOFEREMENTASI DAFTAR PUSTAKA

Tim penyusun. 1989. Petunjuk Praktikum Proses dan Operasi Teknik I. Depok: Laboratorium Proses dan Operasi Teknik TGP FTUI. Taherzadeh, M, J dan Keikhosro . K. (2007). Acid Based Hydrolysis Processes For Ethanol from Lignocellulosic Materials. BioResources 2(3), 472-99 Endah R.D, et.al. 2007. Pengaruh Kondisi Fermentasi Terhadap Yield Etanol Pada Pembuatan Bioetanol Dari Pati Garut. Gema Teknik. Yu, Z., Zhang, H. 2003. Pre-treatments of selulosa pryrolysate for ethanol production by Saccharomyces cerevisiae, Pichia sp, YZ-1 and Zymomonas mobilis. Biomas and bioenergy, 24: 257-262 Mussato, S.I., Roberto, S.I. 2004. Alternatives for detoxification of diluted-acid lignocellulosic hydrolysates for use in fermentative processes (review). Bioresource technology, 93: 1-10

[Kelompok 11]

35