PEMBUATAN BIOBUTANOL BERBAHAN BAKU KERTAS DENGAN

PEMBUATAN BIOBUTANOL BERBAHAN BAKU KERTAS DENGAN
MENGGUNAKAN TEKNIK FERMENTASI ANAEROB
Aditya Sigit Prasetya1, Mohammad Nasikin2, dan Misri Gozan3
1
Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
Riset Grup Rekayasa Produk Kimia dan Bahan Alam, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,
Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
3
Riset Grup Teknologi Bioproses, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,
Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
2
E-mail: [email protected]
Abstrak
Indonesia memiliki ketergantungan yang cukup tinggi terhadap bahan bakar fosil dalam pemenuhan kebutuhan energi.
Akan tetapi, penurunan ketersediaan bahan bakar fosil membuat perlunya pengembangan energi terbarukan, salah
satunya adalah biobutanol. Biobutanol adalah sumber energi alternatif yang sangat potensial karena tidak menyebabkan
korosi, tidak menyerap air, dan mempunyai angka oktan yang hampir sama dengan bensin. Biobutanol dihasilkan dari
fermentasi sederhana secara anaerob, yaitu kondis tanpa kehadoran oksigen, dengan memanfaatkan bakteri Clostridium
yang dapat mengubah berbagai macam monosoakarida menjadi aseton, butanol, dan etanol (ABE). Pada penelitian ini,
sumber glukosa diperoleh dari kertas. Kertas dihidrolisis dengan menggunakan dua metode, yaitu menggunakan H2SO4
1% dan kombinasi enzim. Butanol yang dihasilkan dari proses fermentasi anaerob adalah sebanyak 0,0000295 ml/gram
kertas.
i
Kata kunci: biobutanol; fermentasi anaerob; hidrolisis; kertas.
1. Pendahuluan
Kenaikan harga bahan bakar minyak (BBM)
mengakibatkan banyaknya penolakan, ini menunjukkan
besarnya ketergantungan sistem transportasi di
Indonesia akan bahan bakar fosil. Situasi ini menjadi
semakin buruk dengan adanya fakta bahwa bahan bakar
minyak dari fosil merupakan bahan bakar yang tidak
terbarukan dan diprediksi akan habis dalam 46 tahun
lagi bila laju konsumsinya selalu konstan tiap tahun [1].
Untuk itu, energi baru dan terbarukan (EBT) seperti
biofuel dan solar sel diharapkan dapat menggantikan
penggunaan bahan bakar fosil untuk memenuhi
kebutuhan energi dunia.
Salah satu energi baru dan terbarukan dari jenis biofuel
adalah biobutanol. Biobutanol merupakan butanol, butil
alkohol, yang diproduksi dari bahan alam sebagai
substrat dengan metode fermentasi menggunakan
bakteri Closridia. Biobutanol menjadi bahan bakar
hayati yang menjanjikan sebagai pengganti gasolin atau
sebagai bahan additif. Biobutanol memiliki karakteristik
yang sama dengan besin sehingga dapat langsung
digunakan pada mesin berbahan bakar bensin tanpa
modifikasi mesin tersebut tidak seperti etanol yang
mensyaratkan modifikasi mesin karena nilai oktan yang
tinggi dibandingkan dengan bensin [2]. Sifat-sifat
lainnya seperti tingginya kandungan energi, kemampuan
menguap (volatilitas) yang rendah, kelarutan dalam air
yang rendah, dan sifat korosifitas yang rendah
merupakan kelebihan biobutanol dibandingkan dengan
biofuel lainnya [3].
Butanol dapat dihasilkan dari bahan yang mengandung
laktosa, sukrosa, glukosa, fruktosa, manosa, dekstrin,
pati, silosa, arabinosa, dan inulin [4]. Hal ini
dikarenakan kemampuan bakteri clostridia untuk
mengkonsumsi gula tersebut [5]. Semua sumber gula
tersebut dapat diperoleh dari berbagai bahan pertanian,
seperti jagung, gandum, beras, singkong , dan lainnya.
Namun penggunaan sumber substrat tersebut selain
harganya yang mahal juga dapat berpengaruh terhadap
ketahanan pangan. Oleh karena itu penggunaan limbah
pertanian seperti tongkol jagung, tandan kosong kelapa
sawit, jerami gandum, dan kertas menjadi salah satu
langkah untuk mengatasi permasalahan tersebut.
Salah satu sumber glukosa yang dapat digunakan
sebagai bahan bakar tanpa adanya kekhawatiran akan
acaman terhadap sumber pangan adalah lignoselulosa.
Salah satu sumber lignoselulosa yang dapat digunakan
adalah lignoselulosa yang merupakan residu atau
sampah (Lignoselulose waste) yaitu kertas. Kertas
digunakan karena memiliki kandungan lignoselulosa
Pembuatan biobutanol ..., Aditya Sigit Prasetya, FT UI, 2013
dengan rincian 80-85% selulosa, 1-8% hemiselulosa,
dan 7-15% lignin [6]. Indonesia merupakan negara
dengan peringkat ke 11 penghasil kertas dengan
produksi ±8 juta ton per tahun [7]. Fakta ini semakin
mendukung potensi produksi biobutanol dengan
menggunakan kertas. Proses konversi kertas menjadi
glukosa dilakukan dengan cara hidrolisis. Proses
hidrolisis
yang
digunakan
adalah
hidrolisis
menggunakan H2SO4 1% dan hidrolisis menggunakan
kombinasi enzim. Hasil hidrolisis ini selanjutnya di
fermentasi menggunakan bakteri Clostridium dalam
anaerobic chamber. Hasil fermentasi di distilasi dan
dianalisis kandungan butanolnya menggunakan Gas
Chromatography.
2. Metode Penelitian
Penelitian ini terdiri dari tiga tahapan utama yaitu
hidrolisis kertas dengan H2SO4 1% dan enzim, kultivasi
kutur bakteri C. beijerinckii, dan fermentasi secara
anaerob. Hasil fermentasi selanjutanya di analisis
kandungan
ABE
nya
menggunakan
Gas
Chromatography dan penurunan gula reduksinya. Pada
tahap awal dilakukan proses pengecilan ukuran dengan
menggunting kertas tersebut menjadi ukuran kecil
kemudian diblender agar dapat dengan mudah
dihidrolisis. Bahan yang digunakan adalah kertas HVS
80 gram dan kertas bekas bertinta.
Kertas yang telah di preparasi selanjutnya dihidrolisis
dengan 2 variasi yaitu menggunakan asam sulfat dan
enzim untuk mereduksi selulosa menjadi gula sederhana.
Proses ini bertujuan untuk menghasilkan monomermonomer gula dari kandungan polisakarida yang
dimiliki kertas metode yang digunakan adalah hidrolisis
dengan suasana asam pada konsentrasi rendah. Pada
tahap hidrolisis menggunakan enzim, enzim yang
digunakan adalah enzim selulase, selubiase, dan silanase.
Hasil hidrolisis difermentasi menggunakan bakteri
Clostridium beijerinckii dengan substrat berupa glukosa
hasil hidrolisis dan glukosa murni sebagai kontrol.
Kultur bakteri yang telah disiapkan dimasukkan
kedalam substrat yang telah diautoklaf. Kemudian pada
fermentation broth ditambahkan P2-Medium sebagai
nutrisi tambahan pada proses fermentasi. Proses
fermentasi dilakukan didalam anaerobic chamber.
Hasil fermentasi didistilasi untuk memisahkan butanol
dari larutan fermentasi. Rangkaian alat destilasi terdiri
dari pemanas, labu, termometer, pendingan dan sirkulasi
air, botol penampung dan penutup (plastik wrap).
Metode analisis dilakukan untuk mengukur konsentrasi
senyawa gula dan butanol yang dihasilkan selama
proses hidrolisis dan fermentasi. Proses yang dilakukan
adalah menguji kandungan gula reduksi menggunakan
spektofotometer UV Genesys dengan menambahkan
DNS pada sampel larutan hidrolisis dan melihat
konsentrasi dengan absorbansi pada panjang gelombang
547 nm. Analisis kandungan butanol menggunakan gas
kromatografi yang dilengkapi dengan detektor flame
ionization (FID). Larutan fermentasi diinjeksikan
kedalam kolom kromatografi yang sebelumnya
dipisahkan dari sel. Sebelumnya dibuat kurva standar
dari aseton, etanol, dan butanol murni.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Kadar Aseton, butanol, dan Etanol Hasil
Fermnetasi
Kadar aseton, butanol, dan etanol (ABE) dianalisis
menggunakan Kromatografi gas (Hewlett Packard) di
Pusat Laboratorium Forensik, MABES POLRI dengan
kolom gelas (HP-INNOWax Polyethylene Glycol) dan
flame ionization detector (FID) menggunakan helium
sebagai gas karier. Temperatur detektor dan injektor
diatur pada suhu 270 0 dan 2300 C. Pembuatan kurva
standar n-butanol, aseton, dan etanol, hasil dari
kromatografi gas dapat dilakukan untuk uji kuantitatif,
sehingga diperoleh konsentrasi dari masing-masing
senyawa (ABE). Berikut ini adalah konsentrasi aseton,
butanol, dan etanol yang dihasilkan:
Tabel 1. Hasil Distilasi dan Konsentrasi ABE
Substrat
Glukosa 6%
Kertas
bekas
dengan
hidrolisis asam
Kertas
bekas
dengan
hidrolisis enzim
Kertas kosong
dengan hidrolis
asam
Kertas kosong
dengan
hidrolisis enzim
Volume
distilasi
(ml)
Aseton
(%)
Butanol
(%)
Etanol
(%)
5ml
0.098
0.455
0.053
3ml
0.000
0.000
0.023
3ml
0.022
0.000
0.047
3ml
0.000
0.000
0.156
5ml
0.022
0.059
0.5715
Berdasarkan tabel 1, terlihat bahwa butanol hanya
dihasilkan pada substrat glukosa 6% dan kertas HVS
kosong yang dihidrolisis dengan enzim. Pada fermentasi
larutan glukosa 6% dihasilkan butanol sebanyak 0,0228
ml. Pada fermentasi kertas kosong yang menggunakan
perlakuan hidrolisis enzim juga dihasilkan butanol
sebanyak 0,00295 ml. Butanol yang dihasilkan dari
fermentasi glukosa lebih besar dari kertas kosong
Pembuatan biobutanol ..., Aditya Sigit Prasetya, FT UI, 2013
karena gula reduksi dari kertas hanya sekitar 1%
sementara larutan glukosa yang digunakan sebesar 6%.
uap saat melewati kondensor dan keluar melalui celah di
botol penampung.
Hasil dari fermentasi kurang baik karena hanya
menghasilkan sedikit yield ABE, bahkan pada perlakuan
hidrolisis asam tidak terbentuk butanol. Selain dari yield
ABE hasil fermentasi, dilihat dari penurunan kadar gula
reduksi yang terjadi tidaklah banyak sehingga
mengindikasikan rendahnya aktivitas bakteri tersebut.
Rendahnya aktivitas bakteri dapat disebabkan oleh
beberapa hal asam karena beberapa faktor seperti kadar
furfural yang tebentuk, kondisi pH dan garam-garam
yang terbentuk saat proses penetralan [4]. Furfural
dihasilkan dari bahan baku yang mengandung pentosan.
Pentosan adalah hemiselulosa yang dihidrolisa
menghasilkan pentosa dan kemudian pentosa
mengalami proses siklodehidrasi menjadi furfural.
Proses pembentukan dilakukan dalam kondisi
bertekanan dengan perlakuan asam anorganik kuat.
Pada hidrolisis asam, xylan (pentosan) menghasilkan
xylose (pentose) kemudian pentose didehidrasi menjadi
furfural. Sehingga untuk meningkatkan aktifitas bakteri
diperluka perlakuan tambahan berupa inhibitor removal.
Pada hasil fermentasi dengan hidrolisis asam hanya
terbaca etanol. Hal ini dimungkinkan adanya fermentasi
spontan yang disebabkan oleh kontaminan yang masuk
kedalam hasil fermentasi. Fermentasi spontan ini
berlangsung dalam kondisi aerob. Fermentasi dari kertas
bekas tidak menghasilkan butanol karena adanya tinta
yang menghambat aktivitas bakteri. Fermentasi kertas
kosong dengan hidrolisis asam juga tidak menghasilkan
butanol karena adanya furfural yang terbentuk sehingga
menghambat aktivitas bakeri C. beijerinckii.
4 Kesimpulan
Metode preparasi terbaik yang didapatkan dari
penelitian ini adalah dengan hidrolisis enzim
menggunakan kombinasi enzim. Jumlah butanol hasil
fermentasi kertas pada kondisi anaerob adalah
0,0000295ml/gram kertas
Daftar Acuan
[1]Doherty, J. (2012). Fossil Fuels: Examination and
Prediction of Future Trends. Thesis Bachelor
of Science Degree at Ohio State University
[2]Lee, S. Y., J. H. Park, et al. (2008). "Fermentative
butanol
production
by
clostridia."
Biotechnology and Bioengineering, 101, p.209228.
Gambar 3. Proses Terbentuknya Furfural
Furfural dapat menghambat aktivitas bakteri
Clostridium dan telah banyak terjadi. Furfural terbentuk
akibat terpecahnya hemiselulosa pada kondisi asam dan
suhu yang tinggi.
Berdasarkan data hasil fermentasi dengan hidrolisis
enzim ditemukan bahwa komponen etanol terbaca yang
terbanyak, diikuti aseton dan butanol. Yield ABE yang
sangat rendah dan penggunaan distilasi biasa pada suhu
800 C bisa menjadi penyebabnya. Etanol dan aseton
yang memiliki titik didih disekitar suhu tersebut dan
lebih rendah sehingga lebih mudah untuk dipisah
dibandingkan butanol yang memiliki titik didih lebih
tinggi dari air. Sedangkan kandungan aseton masih lebih
rendah dibanding etanol bisa disebabkan oleh
kehilangan saat destilasi karena untuk mengembunkan
aseton membutuhkan suhu yang lebih rendah dibanding
etanol. Sehingga kemungkinan masih ada dalam bentuk
[3]Dürre, P. (2007). “Biobutanol: An attractive biofuel”.
Biotechnology Journal 2, p.1525-1534.
[4]Quraeshi, N et al. (2010). ” Production of butanol (a
biofuel) from agricultural residues: Part I – Use
of barley straw hydrolysate”. Biomass and
Bioenergy,34, p.559–565
[5]Kumar, G., & Gayen, K. (2011). “Developments in
biobutanol production: New insights”. Applied
Energy, 88, p.1999–2012
[6] Sutjiadi, H.A, Hardosubroto, H., & Girisuta, B.
(2010) Optimisasi Proses Hidrolisis Kertas
Bekas dengan Menggunakan Metode Hidrolisis
Termal. Prosiding Sminar Nasional Teknik
Kimia, Yogyakarta.
[7]Indonesian Commercial Newsletter. (2011). Profil
Industri Pulp dan Kertas. 05 April 2012.
http://www.datacon.co.id/Pulp-2011
Industri.html
Pembuatan biobutanol ..., Aditya Sigit Prasetya, FT UI, 2013