pembuatan bioetanol dari ampas umbi dahlia dengan hidrolisa

PEMBUATAN BIOETANOL DARI AMPAS UMBI DAHLIA DENGAN HIDROLISA
ENZIMATIK
M. Imam Arifin(1), Kurniawati(2), Munas Martynis(3), Elmi Sundari(4)
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta
Jl. Gajah Mada, Gunung Pangilun, telp. (0751) 54257 Padang
E-mail : [email protected]
ABSTRACT
Needs fuel oil which is inversely related to increasing oil production. Minister of Energy and Mineral
Resources in the regulations contained passages that lead to the provision and use of biofuels to
maintain Indonesia's energy security. One of the alternative energy sources such as biofuels are
bioethanol. The production of bioethanol requires biomass feedstocks that contain carbohydrates
such as glucose, starch, cellulose and lignocellulose. One example source lignocellulosic feedstock
for bioethanol are the dregs of dahlia tubers. During this time dahlia tuber starch is used as flour for
food and raw materials for inulin while the dregs which amounted to about 25% by weight untapped.
In this study, the method is performed enzymatic hydrolysis using cellulase enzymes and fermented
with yeast saccharomyses cerevisiae. Bioethanol fermented solution is separated from the residue,
and then the ethanol is separated from the solution by distillation. The results showed that the levels
of ethanol produced higher up time certain fermentation (optimum time) and after time elapsed
optimum levels of ethanol produced decreases. The highest levels of bioethanol produced by 0.743%
on the addition of the enzyme as much as 9 ml.
Keyword : Bioetanol, Fermentation, enzimatik hidrolisis, dahlia tuber
ABSTRAK
Kebutuhan bahan bakar minyak yang semakin meningkat berbanding terbalik dengan produksi
minyak. Dalam peraturan menteri ESDM terdapat pasal-pasal yang mengarah pada penyediaan dan
pemanfaatan bahan bakar nabati untuk menjaga ketahanan energi Indonesia. Salah satu sumber energi
alternatif yang berupa bahan bakar nabati adalah bioetanol. Produksi bioetanol membutuhkan bahan
baku biomassa yang memiliki kandungan karbohidrat seperti glukosa, pati, selulosa dan lignoselulosa.
Salah satu contoh sumber lignoselulosa untuk bahan baku bioetanol tersebut adalah ampas umbi
dahlia. Selama ini umbi dahlia yang digunakan adalah patinya sebagai tepung untuk makanan dan
bahan baku untuk inulin sedangkan ampasnya yang berjumlah sekitar 25% berat belum
dimanfaatkan. Pada penelitian ini, metode yang dilakukan adalah hidrolisis enzimatik menggunakan
enzim selulase dan difermentasi dengan yeast saccharomyses cerevisiae. Larutan bioetanol hasil
fermentasi dipisahkan dari residu, kemudian etanol dipisahkan dari larutan dengan distilasi. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa kadar etanol yang dihasilkan semakin tinggi sampai waktu fermentasi
tertentu (waktu optimum) dan setelah waktu optimum terlewati kadar etanol yang dihasilkan
menurun. Kadar bioetanol tertinggi yang dihasilkan sebesar 0,743 % pada penambahan enzim
sebanyak 9 ml.
Kata kunci: Bioetanol, Fermentasi, Hidrolisis Enzimatik, Umbi Dahlia
1. PENDAHULUAN
Kebutuhan bahan bakar minyak yang
semakin meningkat berbanding terbalik
dengan produksi minyak. Cadangan minyak
Indonesia
semakin
menipis
sehingga
pemerintah melalui peraturan menteri ESDM
terdapat pasal-pasal yang mengarah pada
penyediaan dan pemanfaatan bahan bakar
nabati untuk menjaga ketahanan energi
Indonesia. Salah satu sumber energi alternatif
yang berupa bahan bakar nabati adalah
bioetanol.
Produksi bioetanol membutuhkan bahan
baku biomassa yang memiliki kandungan
karbohidrat seperti glukosa, pati, selulosa dan
lignoselulosa. Salah satu contoh sumber
lignoselulosa untuk bahan baku bioetanol
tersebut adalah ampas umbi dahlia. Selama ini
umbi dahlia yang digunakan adalah patinya
sebagai tepung untuk makanan dan bahan baku
untuk inulin sedangkan ampasnya yang
berjumlah sekitar 25 % berat
belum
dimanfaatkan.
Beberapa penelitian tentang bioetanol
telah dilakukan, diantaranya pembuatan
bioetanol dari kulit pisang, ampas tebu, dan
lain-lain. Produksi bioetanol dari kulit pisang
dengan menggunakan
metode hidrolisis
enzimatik dari kapang trichoderma viride telah
dilakukan oleh Deky Seftian, dkk (2012).
Dari penelitian ini kadar etanol yang
dihasilkan 13% dengan waktu fermentasi 5
hari, jumlah enzim 9 ml dan ragi yang
digunakan adalah Saccaromyces cerevisiae.
Penelitian ini akan mengkaji potensi
ampas umbi dahlia untuk memproduksi
bioetanol dengan hidrolisis enzim selulase
menggunakan
Tricoderma
viride
dan
fermentasi dengan media kultur Saccaromyces
cerevisiae serta mengkaji bagaimana pengaruh
penambahan jumlah enzim pada saat hidrolisis
terhadap bioetanol yang dihasilkan sehingga
didapatkan hasil bioetanol yang tinggi.
Bioetanol
Etanol diproduksi dengan cara fermentasi
menggunakan bahan baku hayati. Etanol atau
Etil Alcohol (lebih dikenal dengan alkohol,
dengan rumus kimia C2H5OH) adalah cairan
tak berwarna dengan karakteristik antara lain
mudah menguap, mudah terbakar, larut dalam
air, tidak karsinogenik dan jika terjadi
pencemaran tidak memberikan dampak
lingkungan yang signifikan.
Proses hidrolisis pati secara enzimatik
terdiri dari dua tahap yaitu liquifikasi dengan
α-amilase dan sakarifikasi menggunakan
amiloglukosidase. Reaksi yang terjadi pada
proses produksi etanol secara sederhana dibagi
menjadi dua tahap yaitu :
1. Pemecahan
komponen
polisakarida
menjadi
komponen
monosakarida
(pemecahan sempurna) dan komponen
oligosakarida yang dapat dilakukan secara
enzimatis maupun secara kimiawi. Proses
pemecahan tahap pertama ditunjukkan pada
persamaan reaksi 1.
H2O + (C6H10O5)n ----- n C6H12O6 + n H2O
Polisakarida
Glukosa
2. Pengubahan komponen monomer glukosa
menjadi etanol yang dilakukan dengan
bantuan agen mikrob. Mikrob pengubah
monomer glukosa menjadi etanol yang
paling efektif adalah jenis khamir spesies
Saccaromyces cerevisiae. Proses konversi
monomer glukosa menjadi senyawa etanol
ditunjukkan pada persamaan reaksi 2.
(C6H12O6)n ------ 2 C2H5OH + 2 CO2
Glukosa
Etanol
Umbi Dahlia
Dahlia adalah tanaman perdu berumbi
yang sifatnya tahunan berbunga di musim
panas sampai musim gugur.Dahlia adalah
bunga nasional negara Meksiko yang juga
merupakan negara asal bunga ini. Namun
tanaman ini telah dapat di budidayakan di
Indonesia. Umbi dahlia merupakan salah
satu tanaman penghasil bioetanol dilihat
dari kemiripannya dengan
dengan
tanaman umbi-umbian yang lain, seperti
ubi kayu, ubi jalar, tepung sagu, biji
jagung, biji sorgum, gandum, kentang,
ganyong, garut. Komposisi dari Umbi
dahlia secara lengkap disajikan pada table
2.2
Tabel 2. Komposisi Umbi Bunga Dahlia
Komposisi
Karbohidrat
Inulin
Gula reduksi
Serat
lemak
Protein
abu
Kadar % / % berat kering
76,8-82,80
69,26-75,48
4,4-6,6
3,3-5,4
0,5-1,0
3,9-5,7
0,2-0,4
Sumber : Sanyono, et.all, 1998
Saccaromyces Cerevisiae
Saccaromyces cerevisiae merupakan
suatu khamir sel tunggal (unicellular) yang
berukuran 5 – 10 μm, berbentuk bulat,
silindris, atau oval. Saccaromyces cerevisiae
digunakan untuk produksi etanol pada kondisi
anaerob dan untuk pembuatan roti pada
kondisi aerob. Fermentasi etanol merupakan
aktivitas penguraian gula (karbohidrat)
menjadi senyawa etanol dengan mengeluarkan
gas CO2, fermentasi ini dilakukan dalam
kondisi anaerob. Produksi bioetanol paling
banyak menggunakan mikroba Saccharomyces
cerevisiae yang bersifat anaerob (Ismuyanto,
et al., 2013). Mikroba ini dapat digunakan
untuk konversi gula menjadi etanol dengan
kemampuan konversi yang baik (Nyoman et
al., 2011). Selain itu, Saccharomyces
cerevisiae juga tahan terhadap etanol kadar
tinggi, tahan terhadap pH rendah, dan tahan
terhadap temperatur tinggi (Suyandra, 2007).
Pretreatment Lignoselulosa
Pretreatment biomassa lignoselulosa
harus dilakukan untuk mendapatkan hasil yang
tinggi. Tujuan dari pretreatment adalah untuk
membuka struktur lignoselulosa agar selulosa
menjadi lebih mudah diakses oleh enzim yang
memecah polymer polisakarida menjadi
monomer gula. Kalau tidak dipretreatment
terlebih dahulu, lignoselulosa sulit untuk
dihidrolisis karena lignin sangat kuat
melindungi selulosa sehingga sangat sulit
melakukan hidrolisis sebelum memecah
pelindung lignin.
Pretreatment kimia untuk ampas umbi
dahlia menggunakan bahan kimia yang
berbeda
seperti
asam,
alkali
dan
pengoksidasian yaitu peroksida dan ozon.
Diantara metode ini, pretreatment asam encer
menggunakan H2SO4 adalah metode yang
paling banyak digunakan. Tergantung pada
jenis bahan kimia yang digunakan,
pretreatment bisa memiliki dampak yang
berbeda
pada
komponen
struktural
lignoselulosa.
Alkaline
pretreatment,
ozonolysis,
peroksida
dan
oksidasi
pretreatments lebih bisa efektif dalam
penghapusan lignin sedangkan pretreatment
asam encer lebih efisien dalam solubilisasi
hemiselulosa (Sun dan Cheng, 2002).
Hidrolisis
Hidrolisis merupakan proses pemecahan
polisakarida di dalam biomassa lignoselulosa,
yaitu selulosa dan hemiselulosa menjadi
monomer gula penyusunnya. Pada hidrolisis
sempurna selulosa akan menghasilkan
glukosa,
sedangkan
hemiselulosa
menghasilkan beberapa monomer gula pentose
(C5) dan heksosa (C6). Hidrolisis dapat
dilakukan secara kimia (asam) atau enzimatik.
Aplikasi hidrolisis menggunakan enzim
secara sederhana dilakukan dengan mengganti
tahap hidrolisis asam dengan tahap hidrolisis
enzim selulosa. Hidrolisis enzimatik memiliki
beberapa keuntungan dibandingkan hidrolisis
asam, antara lain: tidak terjadi degradasi gula
hasil hidrolisis, kondisi proses yang lebih
rendah (suhu rendah), berpotensi memberikan
hasil yang tinggi dan biaya pemeliharaan
peralatan relatif rendah karena tidak ada bahan
yang korosif.
Dalam mini riset ini Trichoderma viride
digunakan sebagai penghasil enzim selolusa
untuk proses hidrolisis pati yang terdapat pada
ampas umbi dahlia. Seperti yang diketahui
pada limbah lignoselulosa, selulosa terikat
dengan lignin sehingga sulit sekali dilakukan
hidrolisis selulosa tanpa memecah pelindung
lignin ini terlebih dahulu. Untuk memecah
pelindung lignin perlu dilakukan perlakuan
pendahuluan terhadap bahan baku yaitu
dengan proses delignifikasi (Gunam et al.,
2011).
Trichoderma viride dapat berperan
penghasil enzim selulosa dalam hidrolisis
selulosa. Fungi jenis Trichoderma viride dapat
menghasilkan endo-ß-,4-glukanase dan eksoß-1,4-glukanase sampai dengan 80% tetapi ßglukosidasenya rendah (Kodri et al., 2013).
Menurut Gautam et al. (2011) yang
mendapatkan aktivitas enzim tertinggi pada
kisaran suhu 40 – 50 oC untuk produksi enzim
selulase dari Trichoderma viride.
2. METODOLOGI PENELITIAN
Bahan yang digunakan
Bahan – Bahan yang digunakan yaitu
Ampas Umbi Dahlia, Enzim Selulase berasal
dari fungi Trichoderma Viride, Yeast
Saccromyces Cerevisiae, Aquadest, dll.
Parameter yang digunakan
Massa bahan baku
: 50 gram
pH
:5
Waktu hidrolisis
: 24 jam
Volume Enzim
: 7 ml,9 ml dan 11 ml.
Waktu fermentasi
: 5 hari
Penyiapan Inokulum
 Trichoderma viride di streak ke dalam
medium
PDA
dengan
steril.
Kemudiani diinkubasikan dalam suhu
kamar selama 5 hari.
 Spora
Trichoderma
viride
disuspensikan dengan diberi aquades
steril 9 ml
 Lalu di voertex sampai homogen
Produksi Enzim selulase dalam media cair
padat
 Ampas umbi dahlia dikeringkan
kemudian dihaluskan.
 Menimbang 20 gram Ampas umbi
dahlia dimasukkan ke dalam beaker
glass 250 ml dan menambahkan
nutrisi urea 0,03 gr, MgSO4.7H2O,
0,005 gr, KH2PO4 0,0023 gr.
 80 ml aquadest ditambahkan dalam
media tersebut
 pH diatur hingga pH 5 dengan
menambahkan HCl pekat lalu media
disterilkan di dalam autoclave pada
suhu 121 ºC selama 15 menit.



Media yang telah disterilkan kemudian
didinginkan.
Suspensi spora enzim selulosa
ditambahkan sebanyak 10 ml pada
media tersebut.
Media diinkubasi pada suhu ±30 0C
dengan waktu fermentasi 96 jam.
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
digunakan.
Perlakuan awal ampas umbi dahlia
 Ampas umbi dahlia dikeringkan
kemudian dihaluskan.
 Menimbang 50 gram ampas umbi
dahlia,
kemudian
memasukkan
kedalam erlemeyer 500 ml.
 Menambahkan 100 ml H2SO4 1 % dan
menutup rapat erlenmeyer dengan
gabus kemudian dipanaskan dalam
autoclave pada suhu 121 oC selama 30
menit.
 Memisahkan fase airnya sehingga
tersisa fase seluligninnya
 Menambahkan 100 ml NaOH 4 % dan
menutup rapatnya lalu dipanasi
kembali pada suhu 121 oC selama 30
menit. Mencuci fase solidnya dengan
air beberapa kali.
Proses Hidrolisis Enzimatik
 Hasil perlakuan awal ampas umbi
dahlia
dimasukkan
kedalam
erlenmeyer 500 ml lalu ditambahkan
100 ml aquadest dan mengatur pH 5
dengan menambahkan HCl pekat.
 Kemudian
dipanaskan
dalam
autoclave pada suhu 100 oC selama 30
menit.
 Bubur Ampas umbi dahlia dibiarkan
menjadi dingin.
 Menambahkan
enzim
selulase
sebanyak 7, 9, dan 11 ml (sesuai
perlakuan) kedalam bubur Ampas

umbi dahlia tersebut lalu menutup
rapat erlenmeyer dengan gabus.
Kemudian diletakkan pada rotary
shaker 160 rpm selama 24 jam.
Proses Fermentasi
 Bubur Ampas umbi dahlia yang telah
dihidrolisis ditambahkan dengan 4 gr
Saccaromyces Cerevisiae dan diaduk
pada 150 rpm sampai homogen.
 Setelah itu menghubungkan erlemeyer
500 ml yang berisi bubur Ampas umbi
dahlia tersebut dengan selang karet
dan ujung selang dimasukkan kedalam
air agar tidak terjadi kontak langsung
dengan udara.
 Selanjutnya larutan difermentasikan
selama 5 hari.
 Selanjutnya
memisahkan
larutan
dengan bubur ampas umbi dahlia
sehingga diperoleh cairan alkohol +
air.
Destilasi (Pemurnian etanol)
 Merangkai dan menyalakan peralatan
destilasi dengan benar.
 Cairan
hasil
fermentasi
lalu
dimasukkan kedalam labu destilasi.
 Temperatur pemanas dijaga pada suhu
80 oC.
 Proses destilasi dilakukan selama 1,5 –
2 jam sampai etanol tidak menetes
lagi.
 Mengukur destilat (etanol) yang
didapat.
Penentuan kadar Etanol
 Untuk menganalisa kadar alkohol
(etanol) yang didapat digunakan
analisa density. Analisa density ini
dilakukan dengan menggunakan alat
piknometer,
piknometer
yang
digunakan adalah piknometer 5 ml
pada suhu kamar.
 Alat pengukur kadar bioetanol GC
Kadar
Bioetanol ( % )
3. Hasil dan Pembahasan
Pengaruh Penambahan Jumlah Enzim
Selulase Terhadap Kadar Bioetanol
1
0.662 0.743
0.509
0
7
Jumlah
enzim (ml )
9
11
Gambar 1. Grafik Hubungan Penambahan Jumlah
Enzim Selulase Terhadap Kadar Bioetanol
Berdasarkan Gambar 1 menunjukkan
bahwa jumlah enzim mempengaruhi kadar
bioetanol yang dihasilkan. Hal ini sesuai
dengan teori yang mengatakan bahwa semakin
banyak enzim selulase yang ditambahkan
maka kadar bioetanol yang dihasilkan semakin
tinggi, karena hidrolisa dinding selulosa oleh
enzim selulase telah meningkatkan jumlah
glukosa, sehingga Saccharomyces cerevisiae
akan memfermentasi glukosa dengan jumlah
yang lebih besar dan menghasilkan kadar
bioetanol yang lebih tinggi sebagai hasil
fermentasinya (Anonim, 2005).
Pada pembuatan bioetanol
etanol dari ampas
umbi dahlia dengan proses hidrolisis enzimatik
Trichoderma viride ini belum mendapatkan
hasil yang optimum. Kadar etanol tertinggi
dihasilkan pada penelitian ini adalah pada
penambahan enzim 9 ml dengan kadar
0,743%,, sedangkan menurut teori proses
p
pembuatan bioetanol dengan fermentasi dari
sumber bahan nabati dapat menghasilkan
alkohol dengan kadarr maksimal 7 – 9%.
Hal ini dikarenakan beberapa faktor
fa
seperti :
1. Jumlah substrat
Ketika kadar selulosa lebih sedikit dari
banyaknya enzim yang diberikan, maka
glukosa yang dihasilkan juga lebih sedikit.
Hal ini sesuai dengan teori yang
mengatakan bahwa dengan substrat yang
lebih sedikit maka glukosa yang
terkonversi oleh enzim selulase menurun
serta pertumbuhan mikroba saat fermentasi
akan tidak optimal karena kebutuhan
nutrisinya tidak terpenuhi,, sehingga yang
terkonversi menjadi bioetanol juga semakin
sedikit. (Yolanda Amalia, 2012).
2012) Selain itu
juga pada penelitian ini kemungkinan
glukosa yang dimanfaatkan sangat rendah
karena tidak ada pengecekan kadar glukosa
terlebih dahulu.
2. pH
pH yang digunakan pada fermentasi
ini berada pada pH 5, sedangkan menurut
teori bahwa pH yang paling optimal untuk
Saccaromyces cerevisiae memproduksi
etanol berada pada pH 4,5 (Elevri Putra,
2006).
Saccaromyces
accaromyces
cerevisiae
memerlukan suhu 30 oC dan pH berkisar 4
hingga 4,5 agar dapat tumbuh dengan baik
(Sassner 2008).
3. Penurunan aktifitas enzim selulase
Adanya penurunan aktivitas enzim
disebabkan karena tidak optimumnya suhu
saat fermentasi hidrolisis berlangsung, suhu
yang digunakan pada saat hidrolisis adalah
suhu 30 oC. Sedangkan menurut teori
enzim selulase dari Tricoderma viride akan
mengalami penurunan akibat tidak tahan
pada suhu yang terlalu panas dan tidak
optimal pada suhu yang terlalu rendah.
Aktivitas enzim yang optimum berada pada
kisaran suhu 40-50 oC (Gautam eta al,
2011).
4. KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan,
dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu :
Kadar etanol tertinggi yang dihasilkan pada
penambahan enzim sebaanyak 9 ml dengan
kadar 0,743 %. pH dan temperatur yang
digunakan untuk proses fermentasi pun tidak
dalam kondisi yang optimal sehingga etanol
yang dihasilkan sangat sedikit.
5. REFERENSI
Seftian, deky dan ferdinand antonius., (2012).
pembuatan etanol dari kulit pisang
menggunakan
metode
hidrolisis
enzimatik
dan
fermentasi.
palembang
:
universitas sriwijaya.
Sun, y., dan cheng, j., 2002. hydrolysis of
lignocellulosic materials for ethanol
production:: a review. Bioresource
Technology 83, 1 – 11.
Ismuyanto, B., Miranti, N., dan Sutrisno.
(2013). Pembuatan Bioetanol
Bioe
dengan
Bantuan Saccharomyces cerevisiae
dari Glukosa Hasil Hidrolisis Biji
Durian (Durio
Durio zhibetinus
zhibetinus). Kimia
Student Journal. Malang: Universitas
Brawijaya. 1, (1), 36-42.
Gautam, S.P., Bundela, P. S., Pandey A.K.,
dan
Khan,
M.K.
J.
(2011).
Optimization for the Production of
Cellulase Enzyme from Municipital
Solid Waste Residu by Two Novel
Celluloly
Fungi.
Biotechnology
Research International. Volume 2011.
Rani Durgavati University: India.
Gunam, I. B. W. et al. (2011).
Produksi Selulase Kasar dari Kapang
Trichoderma
Viride dengan Perlakuan Konsentrasi
Substrat Ampas Tebu dan Lama
Fermentasi. Jurnal Biologi. 15, (2), 2933.
Arnata, I W. (2009). Teknologi Bioproses
Pembuatan Bioetanol dari Ubi Kayu
Menggunakan Trichoderma viride,
Aspergillus niger dan Saccharomyces
cerevisiae. Thesis Master. Bogor: IPB.
Nyoman W. P., I Gusti B. W., dan I Nyoman,
S. W. (2011). Proses Treatment
dengan Menggunakan NaOCl dan
H2SO4
untuk
Mempercepat
Pembuatan Etanol dari Limbah
Rumput Laut Eucheuma Cottonii.
Jurnal Ilmiah. (3), 64-68.
Kodri, Argo, B. D. dan Yulianingsih, R.
(2013). Pemanfaatan Enzim Selulase
dari
Trichoderma Reseei dan Aspergillus
Niger sebagai Katalisator Hidrolisis
Enzimatik Jerami Padi dengan
Pretreatment Microwave. Jurnal
Bioproses
Komoditas Tropis. 1, (1), 36-43.
Suyandra D. I. (2007). Pemanfaatan
Hidrolisat Pati Sagu (Metroxylon, sp)
sebagai Sumber Karbon pada
Fermentasi
Etanol
oleh
Saccharomyces
cerevisiae. Skripsi. Fakultas Teknologi
Pertanian. Bogor: IPB.
Isroi. 2008. Potensi Biomassa Lignoselulosa di
Indonesia Sebagai Bahan Baku
Bioetanol: Tandan Kosong Kelapa
Sawit.
Online
di
http://isro.wordpress.com. Diakses 10
Mei 2015.
Anonim,2005. Enzim Selulase. Online di
http://community.um.ac.id/showthread
.php. Diakses 10 Mei 2015
Khairani, Rini. 2007. Tanaman Jagung
Sebagai
Bahan
Bio-fuel
http://www.Macklintmip unpad. net/
Biofuel/ Jagung/ Pati.pdf. diakses
tanggal 10 Mei 2015
UKM, B. 2009. Bahan Bakar Nabati
(Bioetanol).Khalifah Niaga Lantabura:
Yogyakarta.