BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Gambaran Umum Rumput Laut

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Gambaran Umum Rumput Laut
Rumput laut merupakan bagian dari alga berbentuk poliseluler dan hidup
di laut (Yunizal, 2004). Rumput laut tergolong dalam kelompok Thallophyta
karena tidak memiliki akar, batang, dan daun sejati. Seluruh bagian tumbuhan
disebut thallus, sehingga rumput laut tergolong tumbuhan tingkat rendah (Susanto
dan Mucktianty, 2002).
Secara umum rumput laut memiliki klorofil atau pigmen yang berfungsi
untuk proses fotosintesis. Menurut Zatnika, (2009), berdasarkan klorofil yang
dimiliki, rumput laut diklasifikasikan menjadi tiga kelas yaitu, alga hijau
(Chlorophyceae), alga merah (Rhodophyceae), dan alga coklat (Phaeophyceae).
Saat ini sebanyak 782 jenis rumput laut yang terdiri atas 196 jenis alga hijau, dan
452 jenis alga merah telah diidentifikasi dan diinventarisasi (Zatnika, 2009;
Wiratmaja, 2011). Rumput laut dari kelas alga merah (Rhodophyceae) menempati
urutan terbanyak dari jumlah jenis yang tumbuh di perairan laut Indonesia yaitu
sekitar 452 jenis, setelah itu alga hijau (Chlorophyceae) sekitar 196 jenis dan alga
coklat (Phaeophyceae) sekitar 134 (Winarno, 1996).
Rumput laut atau lebih dikenal dengan sebutan seaweed merupakan salah
satu sumber daya hayati yang sangat melimpah di perairan Indonesia. Rumput laut
merupakan salah satu komoditi perairan Indonesia yang sangat berpotensi untuk
dikembangkan karena permintaan terhadap rumput laut semakin meningkat baik
6
di pasar lokal maupun di pasar internasional (Rahmat, 2011). Tiap tahun
dilaporkan produksi rumput laut semakin meningkat dari tahun 2007 sebesar 135
ribu ton, tahun 2008 sebesar 150 ribu ton (Budiono, 2008), meningkat kembali
pada tahun 2009 sebesar 2,574 jut a ton, tahun 2010 sebesar 3,083 juta ton dan
terus meningkat karena pemerintah terus menambah klaster untuk memacu
produksi dengan target sebesar 10 juta ton sampai tahun 2014.
Luas wilayah yang menjadi habitat rumput laut di Indonesia mencapai 1,2
juta hektar atau terbesar di dunia (Wawa, 2005). Menurut Dahuri (2003), prospek
industri pengolahan rumput laut di Indonesia cukup besar dengan potensi lahan
budidaya sekitar 26.700 hektar. Budidaya rumput laut dilakukan pada kedalaman
30-50 cm, karena kedalamn ini memungkinkan rumput laut tidak mengalami
kekeringan, tetapi masih mendapat cukup cahaya matahari untuk berfotosintesis
(Anggadiredjo dkk., 2006). Beberapa jenis rumput laut membutuhkan perairan
yang cukup dalam untuk dapat dibudidayakan (Azizah, 2006; Widyorini, 2010).
Waktu panen pada rumput laut tergantung pada jenisnya. Kelompok genus
Gracilaria dan Eucheuma, dipanen setelah berumur 1,5 bulan (Wiratmaja, 2011).
Rumput laut, selain berperan sebagai ekologis tempat hidup sekaligus
perlindungan bagi biota lain, golongan makroalga ini memiliki potensi ekonomis
yaitu sebagai bahan baku dalam industri dan kesehatan (Suparmi dan Achmad,
2009). Budidaya rumput laut dapat berefek positif pada lingkungan dengan
kemampuan penyerapan CO2 mencapai 36,7 ton per hektar, lebih besar 5-7 kali
dibandingkan tanaman kayu.
7
Komponen utama rumput laut adalah karbohidrat (gula atau vegetable
gum), protein, lemak, dan abu yang sebagian besar merupakan senyawa garam
natrium dan kalium (Angka dan Suhartono, 2000). Komposisi kimia rumput laut
bervariasi tergantung pada spesies, tempat tumbuh, dan musim (Ulvana, 2010).
Komponen terbesar dalam rumput laut adalah mineral dan karbohidrat (serat
pangan). Selain itu, komponen lain yang terdapat dalam jumlah kecil diantaranya
adalah protein, lemak, dan vitamin (Matanjun, 2009).
Menurut Suparmi dan Achmad (2009), keanekaragaman rumput laut di
Indonesia merupakan yang terbesar dibandingkan dengan negara lain. Namun
demikian, pemanfaatan rumput laut di Indonesia, terutama untuk keperluan
industri dan kesehatan masih belum optimal.
Walaupun telah lama dikenal dan dimanfaatkan, publikasi rumput
laut baru dimulai pada abad ke-17 oleh negara Jepang dan Cina (Indriani dan
Suminarsih, 2005). Potensi rumput laut perlu terus digali, mengingat tingginya
keanekaragaman rumput laut di perairan Indonesia. Perairan Indonesia sebagai
wilayah tropis memiliki sumber daya plasma nutfah rumput laut sebesar 6,42%
dari total biodiversitas rumput laut dunia (Santosa, 2003; Surono, 2004).
Keberadaan rumput laut sebagai sumber energi alternatif tidak akan
mengganggu pemanfaatan tanaman darat (Suparmi dan Achmad, 2009). Rumput
laut memiliki beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan tanaman darat,
diantaranya memiliki masa panen yang cepat mencapai 4-6 kali pertahun,
berbeda dengan tanaman darat yang hanya 1-2 kali pertahun (Kim dkk., 2007).
Hasil panen per hektar rumput laut sebesar 565 ton/ha jauh berbeda dengan
8
tanaman darat yang hanya sekitar 180 ton/ha (Kim dkk., 2007). Menurut Dahuri
(2005), baik dalam program jangka pendek maupun panjang, rumput laut
khususnya bidang bioteknologi rumput laut termasuk sektor ekonomi kelautan
yang layak dikembangkan untuk memecahkan berbagai persoalan bangsa.
Rumput laut juga memiliki keutamaaan lain yaitu memiliki kadar
lignin yang cukup rendah sehingga mudah untuk dihidrolisis (Wi dkk., 2009).
Rumput laut mulai disorot menjadi salah satu sumber dalam pembuatan energi
alternatif karena kandungannya yang memiliki kandungan lignin sedikit atau sama
sekali tidak terdapat lignin dan cara pembiakannya yang tergolong mudah (Jang
dkk., 2012; Yanagisawa dkk., 2011).
2.2 Karakteristik dan Klasifikasi Gracilaria sp.
Gracillaria sp. merupakan salah satu alga merah yang mengandung
senyawa hidrokoloid yang disebut agar (Widyorini, 2010). Gracilaria sp.
memiliki ciri-ciri antara lain: permukaan tubuhnya halus atau berbintil dengan
diameter thallus 0,5-2 mm, panjangnya dapat mencapai 30 cm, umumnya tumbuh
pada arus yang cukup stabil dengan salinitas 5 dan 43% dan pH 6-9 thallus
berwarna hijau, bentuk thallusnya yang kecil, menipis, silindris, dan bentuk
percabangan yang tidak teratur (Anggadiredjo dkk., 2006). Sifat substansi thallus
bervariasi, ada yang lunak seperti gelatin, keras diliputi atau mengandung zat
kapur, dan berserabut (Brief, 2013).
Secara alami, rumput laut Gracilaria sp. tumbuh pada areal pasang surut,
dengan ciri lahan pasir berlumpur, dan merupakan daerah sedimentasi
(Komarawidjaja, 2005). Rumput laut ini mendiami wilayah 300-1000 m dari garis
9
pantai. Pertumbuhan Gracilaria sp. diketahui lebih baik di tempat dangkal yang
memiliki intensitas cahaya tinggi dari pada di tempat dalam. Rumput laut jenis
Gracillaria ditemukan hampir di seluruh wilayah perairan (tropis dan non
tropis) dan merupakan spesies yang mengandung komponen agar. Rumput laut
jenis ini hidup berasosiasi dengan makroalga yang lain. Gracilaria sp. termasuk
rumput laut yang bersifat euryhalin (dapat beradaptasi dengan kadar salinitas),
sifat tersebut dapat terlihat dari kemampuan hidupnya pada perairan bersalinitas
15-30 ppt. Suhu yang optimum untuk pertumbuhan adalah 20oC-28oC dan pH
optimum antara 6-9. Gracilaria sp. banyak dibudidayakan di daerah tambak atau
pantai, karena perawatannya sangat mudah, bibitnya murah dan mudah diperoleh,
serta memiliki sifat yang toleran terhadap faktor-faktor lingkungan (Widyorini,
2010). Klasifikasi rumput laut Gracillaria sp. menurut Silva (1996), adalah
sebagai berikut:
Kingdom
: Plantae
Division
: Rhodophyta
Class
: Rhodophyceae
Ordo
: Gigartinales
Family
: Gracilariaceae
Genus
: Gracilaria
Species
: Gracilaria sp.
10
2.3 Manfaat dan Kandungan Rumput Laut
Rumput laut memiliki banyak peranan penting bagi manusia. Ilalqisny dan
Widyartini (2000), melaporkan bahwa sejak tahun 2700 SM, rumput laut telah
dimanfaatkan sebagai bahan pangan manusia. Pemanfaatan rumput laut sebagai
makanan karena mempunyai gizi yang cukup tinggi yang sebagian besar terletak
pada karbohidrat, selain lemak dan protein. Pada awal 1980 perkembangan
permintaan rumput laut di dunia meningkat seiring dengan peningkatan
pemakaian rumput laut untuk berbagai keperluan antara lain di bidang industri,
makanan, tekstil, kertas, cat, kosmetika, dan farmasi (obat-obatan) (Atmadja dkk.,
1996). Menurut Suparmi dan Achmad (2009), rumput laut dapat dijadikan sebagai
makanan tambahan maupun obat-obatan, kosmetik, pakan ternak, dan pupuk
organik di negeri Jepang, dan Cina. Di Indonesia, pemanfaatan rumput laut untuk
industri dimulai untuk industri agar-agar (Gelidium dan Gracilaria) kemudian
untuk industri kerajinan (Eucheuma) serta untuk indutri alginat (Sargassum)
(Suparmi dan Achmad, 2009).
Dinding sel dari rumput laut tersusun dari bahan berlignoselulosa.
Kandungan selulosa dan polisakarida berbentuk gel yang tinggi ini membuat
rumput laut memiliki potensi untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar bioetanol
(Hanna, 2001). Rumput laut Gracilaria sp mengandung selulosa 20,17% (Sari
dk., 2013). Komposisi kimia rumput laut pada umumnya tersusun dari air,
karbohidrat, protein, lemak, dan serat. Menurut Angka dan Suhartono (2000),
komponen utama rumput laut adalah karbohidrat (gula atau vegetable gum),
protein, lemak, dan abu yang sebagian besar merupakan senyawa garam natrium
11
dan kalium. Komponen terbesar dalam rumput laut adalah mineral dan
karbohidrat (serat
pangan). Selain itu, komponen lain yang terdapat dalam
jumlah kecil diantaranya adalah protein, lemak, dan vitamin (Matanjun, 2009).
Menurut Sandi (2014), rumput laut Gracilaria sp. yang diambil dari pantai
Serangan, Bali, mengandung komposisi kimia yang terdiri dari protein (1,60 %),
karbohidrat (73,66 %), lemak (3,34 %), dan abu (14,03%).
2.4 Lignoselulosa
Lignoselulosa merupakan biomassa yang berasal dari tanaman dengan
komponen utama selulosa, hemiselulosa dan lignin. Ketersediaan lignoselulosa
yang cukup melimpah, terutama sebagai limbah pertanian, perkebunan, dan
kehutanan (Hermiati dkk, 2010). Struktur dari ketiganya dapat dideskripsikan
sebagai kerangka selulosa yang menempel pada ikatan silang matriks
hemiselulosa serta dikelilingi oleh lignin sebagai kulitnya (Yuanisa dkk., 2015).
Kandungan dari ketiga komponen lignoselulosa bervariasi tergantung dari
jenis-
jenis bahannya (Anindyawati, 2009).
Secara umum material lignoselulosa terdiri dari selulosa (35-50% berat),
hemiselulosa (20-35% berat) dan lignin (10-25% berat) (Schacht dkk., 2008).
Kandungan selulosa dan hemiselulosa yang besar inilah yang membuat material
lignoselulosa sangat potensial untuk digunakan sebagai bahan baku pembuatan
bioetanol. Lignoselulosa ketersediaannya cukup melimpah dan tidak digunakan
sebagai bahan pangan sehingga, penggunaannya sebagai sumber energi tidak
mengganggu pasokan bahan pangan (Hermiati dkk., 2010).
12
Lignoselulosa dapat dikonversi menjadi produk lain misalnya, pupuk
organik, bioetanol, biogas, biohidrogen, dan industri kimia (Anindyawati, 2010).
Salah satu proses konversi bahan lignoselulosa yang banyak diteliti adalah proses
konversi lignoselulosa menjadi bioetanol (Schacht dkk., 2008; Shi dkk., 2009).
Selulosa dan hemiselulosa digunakan sebagai sumber glukosa yang
dapat
difermentasi untuk menghasilkan bioetanol (Karman, 2012).
2.4.1 Lignin
Lignin adalah bagian utama dari dinding sel tanaman yang merupakan
polimer terbanyak setelah selulosa dan hemiselulosa (Osvaldo dkk., 2012). Lignin
memberikan bentuk yang kokoh dan memberikan proteksi terhadapa serangga dan
patogen (Perez, 2002). Jumlah komponen ligni dalam suatu bahan sangat
berpengaruh pada sifat resisten bahan tersebut untuk didegradsi secara kimia
maupun enzimatik (Taherzade dan Karimi, 2008). Struktur molekul lignin terdiri
dari p-koumarin alkohol, koniferil alkohol, dan sinapil alkohol) yang tersusun
oleh monomer aromatik yang dihubungkan oleh ikatan eter dan karbon
(Anggarawati, 2012). Semakin banyak komponen lignin dalam suatu bahan,
semakin sulit dan lama bahan itu untuk didegradasi. Lignin dapat membentuk
ikatan kovalen dengan beberapa komponen hemiselulosa, seperti ikatan benzil
ester dengan grup karboksil dari asam 4-O-metal-D-glukoronik dalam ksilan
(Octavia dkk, 2011). Adanya lignin disekeliling selulosa merupakan hambatan
utama dalam menghidrolisis selulosa.
Lignin dapat didegradasi oleh enzim-enzim lignolitik, seperti lakase
(polifenol oksidase), lignin peroksidase (Li-P), dan mangan peroksidase (Mg-P)
13
(Anindyawati, 2009). Enzim-enzim tersebut merupakan multi enzim ektraseluler
yang berperan dalam proses depolimerisasi lignin.
2.4.2 Selulosa
Selulosa merupakan komponen utama penyusun dinding sel tanaman dan
hampir tidak pernah ditemui dalam keadaan murni dialam melainkan berikatan
dengan lignin dan hemiselulosa membentuk lignoselulosa (Lynd, 2002). Selulosa
tersusun dari molekul-molekul anhidro D-glukosa yang berikatan dengan β-1,4
glukosidik dengan ikatan hydrogen (Foyle dkk., 2007. Struktur yang linier
menyebabkan selulosa bersifat kristalin dan tidak mudah larut (Osvaldo dkk.,
2012).
Selulosa dapat dikonversi menjadi produk-produk yang memiliki nilai
ekonomi tinggi seperti glukosa, etanol, dan pakan ternak melalui proses hidrolisis
dengan bantuan enzim selulase atau dengan proses hidrolisis asam-basa
(Immanuel dkk., 2001). Rumput laut mengandung selulosa yang berbeda-beda
terkantung jenis dan tempat hidupnya. Kadar selulosa pada berbagai jenis rumput
laut dapat disajikan pada Tabel 2.1.
Table 2.1 Kadar Selulosa Berbagai Jenis Rumput Laut.
Jenis Rumpur Laut
Gelidium amansii
Eucheuma cotonii
Gracilaria sp.
Codium fragile
Undaria pinattinda
Laminaria japonica
Sumber: Kim dkk., 2008
Kadar Selulosa (%)
16,8
7,1
19,7
10,9
2,4
6,7
14
2.4.3 Hemiselulosa
Hemiselulosa merupakan polisakarida yang larut dalam larutan alkali dan
mempunyai berat molekul lebih kecil daripada selulosa. Hemiselulosa sangat
dekat asosiasinya dengan selulosa dalam dinding sel tanaman (Fengel dan
Wegener 1984; Howard dkk., 2003). Menurut Girio dkk. (2010) hemiselulosa
tersusun atas beberapa gula seperti α-L-rhamnose dan α-L-fucose dalam jumlah
kecil dan grup gula hidroksil yang dapat disubtitusi dengan grup asetil.
Berbeda dari selulosa yang merupakan homopolisakarida dengan
monomer glukosa rantai utama hemiselulosa dapat terdiri atas hanya satu jenis
monomer (homopolimer), seperti xilan, atau terdiri atas dua jenis atau lebih
monomer (heteropolimer), seperti glukomannan (Schacht dkk., 2008).
Hemiselulosa dapat didegradasi dengan enzim hemiselulase yang
merupakan multi enzim yang teridiri atas xilanase, β-manannase, α-Larabinofuranosidase, α -D-glucuronidase, β -xylosidase, dan hemiseluloti esterase
dengan komponen utama C5 yang terdiri atas polimer heteropolisakarida
(Wiratmaja, 2011).
2.5 Selulase
Enzim merupakan biokatalosator dalam reaksi kimia. Selulase merupakan
enzim yang berperan dalan menghidrolisis selulosa menjadi monomer-monomer
glukosa. Saat ini, perhatian sudah diarahkan pada penggunaan selulase untuk
menghidrolisis selulosa. Hidrolisis enzimatik lebih diutamakan karena memiliki
beberapa keuntungan dibandingkan hidrolisis kimiawi, antara lain: tidak terjadi
degradasi gula hasil hidrolisis, kondisi proses yang lebih lunak (suhu dan tekanan
15
rendah), serta proses enzimatik merupakan proses yang ramah lingkungan
(Gunam dkk., 2011).
Nama selulase merupakan nama umum bagi semua enzim yang dapat
memutuskan ikatan β-1,4-glukosida dalam selulosa, selodekstrin, selobiosa serta
turunan selulosa yang lain (Sekarsari, 2003). Terdapat empat kelompok enzim
utama sebagai komponen penyusun selulase berdasarkan spesifikasi substrat
masing-masing enzim (Yunasfi, 2008), yaitu:
1. Endo-β-1,4-glukanase (EC 3.2.1.4) menghidrolisis ikatan β-1,4-glikosida
secara acak. Enzim ini tidak menyerang selobiosa tetapi menghidrolisis
selodekstrin, selulosa yang telah dilongarkanoleh asam fosfat dan selulosa
yang telah disubstitusi seperti CMC dan HES (Hidroksi Etil Selulosa).
2. β-1,4-D-glukan selobiohidrolase (EC.3.2.1.91), menyerang ujung rantai
selulosa non pereduksi dan menghasilkan selobiosa. Enzim ini dapat
menyerang selodekstrin tetapi tidak menyerang selulosa yang telah
disubstitusi serta tidak dapat menghidrolisis selobiosa.
3. β-1,4-D-glukan glukohidrolase (EC.3.2.1.74), menyerang ujung rantai selulosa
non pereduksi dan menghasilkan glukosa. Enzim ini menyerang selulosa yang
telah dilonggarkan dengan asam fosfat, selo-oligosakarida dan CMC.
4. β-1,4-D-glukosidase (EC.3.2.1.21), menghidrolisis selobiosa dan selooligosakarida rantai pendek serta menghasilkan glukosa. Enzim selulase
biasanya diproduksi oleh mikroba contohnya fungi, bakteri, dan juga protozoa
selain itu juga diproduksi oleh tanaman dan hewan (Morana dkk., 2011).
Enzim selulase terdapat pada jamur dan bakteri baik yang aerobik dan
16
anaerobik. Jamur mesofilik aerobik Trichoderma reesei dan mutannya
merupakan jamur yang sering banyak dipelajari sumber selulasenya. Jamur
lainnya yang memproduksi selulase yaitu T. viride, T. lignorum, T. koningii,
Penicillium spp., Fusarium spp., Aspergillus spp., dan Sclerotium rolfsii.
Handoko dkk. (2012), melaporkan bahwa aktivitas enzim selulase berkisar
pada pH antara 4,5-5,5, dan temperatur 40oC-50oC.
2.6 Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae merupakan mikroba bersel tunggal yang
berukuran 5-20 mikron. S. cerevisiae tergolong eukariot yang secara morfologi
hanya membentuk blastospora berbentuk bulat lonjong, silindris, oval atau bulat
telur yang dipengaruhi oleh strainnya (Heru, 2011). Menurut Judoamidjojo
(1990), dalam ragi terdapat banyak jenis khamir, tetapi hanya satu spesies yang
dikenal dapat mengkonversi gula menjadi etanol yang sangat tinggi yaitu
Saccaromyces cereviceae. Jenis ini menghasilkan enzim invertase dan zimase.
Enzim invertase berfungsi sebagai pemecah sukrosa menjadi monosakarida
(glukosa dan fruktosa). Sedangkan enzim zimase mengubah glukosa menjadi
etanol. S. cerevisiae merupakan khamir yang paling penting pada fermentasi,
karena mampu memproduksi alkohol dengan konsentrasi tinggi dan fermentasi
spontan (Sudarmadji, 1998).
S. cerevisiae berkembang biak secara aseksual yaitu dengan bertunas.
Menurut Fardiaz (1992), S. cerevisiae memiliki kisaran suhu untuk pertumbuhan
antara 20oC-30oC. Tetapi Kumalasari (2011), menyatakan bahwa S. cerevisiae
akan tumbuh optimal dalam kisaran suhu 30oC-35oC dan puncak produksi alkohol
17
dapat dicapai pada suhu 33oC. Jika suhu terlalu rendah maka fermentasi akan
berjalan dengan lambat dan sebaliknya maka S. cerevisiae akan mati sehingga
proses fermentasi tidak akan berlangsung (Asizah dkk., 2012).
Derajat keasaman (pH) merupakan salah satu faktor yang penting yang
perlu diperhatikan pada saat fermentasi. Menurut Roukas (1994), kisaran
pertumbuhan S. cerevisiae pada pH 3,5-6,5. Ditambahkan oleh Elevri dan Putra
(2006), produksi bioetanol oleh S. cerevisiae paling maksimal dapat dicapai pada
pH 4,5.
Taksonomi Saccharomyces cerevisiae menurut (Sanger, 2004) adalah
sebagai berikut :
Super Kingdom
: Eukaryota
Phylum
: Fungi
Subphylum
: Ascomycota
Klas
: Saccharomycetes
Order
: Saccharomycetales
Family
: Saccharomycetaceae
Genus
: Saccharomyces
Species
: Saccharomyces cerevisiae
Mekanisme pembentukan etanol oleh khamir melalui jalur Embden
Meyerhorf Parnas (EMP) atau glikolisis. Hasil dari EMP adalah memecahkan
glukosa menjadi 2 molekul piruvat. Setelah melalui tahap glikolisis, piruvat yang
terbentuk kemudian dirubah menjadi asetaldehid dan CO2 oleh enzim piruvat
dekarboksilase, setelah itu oleh enzim alkohol dehidrogenase dirubah menjadi
18
etanol (Zaldivar dkk., 2001). Jalur EMP dapat di tunjukan pada gambar 1 dibawah
ini:
D-Glukose
heksokinase
Glukose-6-P
fosfoheksoisomerase
Fructose-6-P
fosfoheksokinase
Fructoce-1,6-diP
fosfotriosaisomeras
Glyseraldehide-3P
enolase
Phosphoenol pyruvate
piruvatkinase
pyruvate
acetaldehyde
etanol
Gambar 2.1
Pembentukan Etanol Melalui Jalur Embden-Meyerhof-Parnas (Moat dan Foster,
1988)
2.7 Bioetanol
Bioetanol adalah etanol yang berasal daari makluk hidup, dalam hal ini
adalah bahan nabati yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan gula, pati, dan
selulosa (Kristina dkk., 2012), dengan bantuan mikroorganisme. Produk bioetanol
yang memenuhi standar tidak mempunyai efek samping yang merugikan.
19
Bioetanol tidak berwarna, mudah menguap, titik didih 78,332oC, larut dalam air
dan eter, memiliki bau yang khas, dan dapat dipakai sebagai pelarut dalam dunia
farmasi dan industri (Sari, 2010).
Bioetanol dapat dijadikan bahan bakar alternatif bensin (Idral dkk., 2012).
Beberapa kelebihan bioetanol sebagai bahan bakar alternatif yaitu mengandung
35% oksigen, memiliki nilai oktan yang tinggi sebesar 96-113, bersifat ramah
lingkungan karena gas buangannya rendah terhadap senyawa-senyawa yang
berpotensi sebagai polutan seperti karbon monoksida, karbon dioksida, nitrogen
oksida serta bioetanol dapat diperbaharui (Hambali dkk, 2007).
Menurut Hambali dkk. (2007) berdasarkan kadar alkoholnya, etanol dibagi
menjadi tiga tingkatan, antara lain:
1. Tingkat industri dengan kadar alkohol 90-94%
2. Netral dengan kadar alkohol 96-99,5%. Umumnya digunakan untuk minuman
keras atau bahan baku industri farmasi.
3. Tingkat bahan bakar dengan kadar alkohol 99,5%.diatas
2.8 Manfaat Bioetanol
Etanol digunakan dalam beragam industri seperti campuran untuk
minuman keras seperti sake atau gin, bahan baku farmasi, kosmetika, dan
campuran bahan bakar kendaraan (Sari, 2010). Etanol digunakan sebagai bahan
bakar karena dapat meningkatkan daya dan torsi dari kendaraan (Saragih dan
Djoko, 2013). Bioetanol mengandung 35% oksigen, sehingga dapat meningkatkan
efisiensi pembakaran, ramah lingkungan karena emisi gas buangnya rendah kadar
karbon monoksidanya, nitrogen oksida, dan gas-gas rumah kaca yang menjadi
20
polutan, mudah terurai dan aman karena tidak mencemari lingkungan (Sari, 2010).
Bioetanol dijadikan sebagai bahan bakar alternatif, yang dapat digunakan sebagai
pengganti bahan bakar bensin. Bioetanol juga digunakan sebagai bahan bakar
pengganti minyak tanah. Bioetanol mempunyai kelebihan selain ramah
lingkungan, penggunaannya sebagai bahan bakar kompor terbukti lebih hemat dan
efisien proses pembakarannya (Hapsari dan Alice, 2013).
2.9 Teknologi Pengolahan Bioetanol
Secara umum, produksi bioetanol dari bahan berbasis selulosa mencakup 4
rangkaian proses yaitu pretreatment, hidrolisis, fermentasi, dan destilasi.
2.9.1 Preatreatment
Proses pengolahan awal (pretreatment) merupakan proses perombakan
struktur dan komposisi kimia dari lignoselulosa, agar selulosa lebih mudah
diakses oleh enzim yang memecah polimer polisakarida menjadi monomer gula
(Kristina dkk., 2012). Pretreatment diperlukan untuk menghilangkan lignin dan
hemiselulosa dan menurunkan tingkat kekristalan selulosa. Tujuan dari
pretreatment adalah untuk membuka struktur lignoselulosa, agar selulosa menjadi
lebih mudah diakses oleh enzim yang memecahkan polisakarida menjadi
monomer glukosa. Menurut Novia dkk. (2014), pretreatment dapat meningkatkan
kadar glukosa, hal ini terjadi karena jumlah lignin rendah dalam biomassa
sehingga enzim lebih fokus untuk menghidrolisis selulosa. Menurut Mosier dkk.
(2005), tanpa pretreatment menghasilkan gula hanya 20% sedangkan melalui
pretreatment akan meningkatkan 50% kadar gula.
21
Pretreatment yang baik dapat mempermudah proses hidrolisis dan
mengurangi jumlah enzim selulase yang digunakan serta menekan biaya dalam
proses hidrolisis (Anindyawati, 2010). Pretreatment dapat dilakukan dengan
menggunakan asam, alkali ataupun mikroorganisme. Pretreatment alkali dapat
meningkatkan kandungan selulosa dan efektif untuk menghilangkan lignin
(Kristina dkk., 2012)
Menurut (Sun dan Cheng 2002), pretreatment seharusnya memenuhi
kebutuhan berikut ini:
1. Meningkatkan pembentukan gula atau kemampuan menghasilkan gula pada
proses berikutnya melalui hidrolisis enzimatik.
2) Menghindari degradasi atau kehilangan karbohidrat.
3) Menghindari pembentukan produk samping yang dapat menghambat proses
hidrolisis dan fermentasi, dan biaya yang dibutuhkan ekonomis.
2.9.2 Hidrolisis
Hidrolisis merupakan reaksi kimia yang memecah molekul menjadi dua
bagian dengan penambahan molekul air (H2O), dengan tujuan untuk
mengkonversi polisakarida menjadi monomer-monomer sederhana (Osvaldos
dkk., 2012). Metode yang banyak digunakan untuk memecah rantai selulosa
menjadi glukosa adalah hidrolisis dengan asam dan enzim. Hidrolisis asam dapat
dikelompokkan menjadi hidrolisis asam pekat dan hidrolisis asam encer
(Kardono, 2010). Beberapa asam yang umum digunakan untuk hidrolisis asam
antara lain adalah asam sulfat (H2SO4) dan asam HCl (Sari, 2010).
22
Hidrolisis dilakukan dengan menggunakan asam pekat akan mempercepat
proses hidrolisis tetapi akan menurunkan hasil hidrolisis karena glukosa mudah
sekali diuraikan (Ulfana, 2010). Komponen terlarut yang utama pada hasil
hidrolisis akhir adalah xilosa, arabinosa, glukosa, galaktosa, mannosa,
hidroksimetil furfural dan asam-asam organik seperti asam formiat dan asam
asetat (Osvaldo dkk., 2012).
Kekurangan dari hidrolisis asam adalah terbentuknya senyawa-senyawa
inhibitor yang mengganggu proses fermentasi, sehingga berpengaruh terhadap
tingkat produksi bioetanol (Susmiati, 2011), memerlukan peralatan yang tahan
korosif, dan menimbulkan pencemaran lingkungan. Produk sisa yang dapat
menghambat proses fermentasi berupa furfural, 5-hydroxy methyl furfural (HMF),
asam lefulenat, asam asetat, asam format, dan asam uronat.
Selain asam, hidrolisis dapat menggunakan metode enzimatik. Enzim
merupakan protein yang bersifat katalis sehingga disebut biokatalis. Hidrolisis
enzim memiliki kemampuan untuk memproduksi glukosa dengan kadar tinggi
(75-95%) dan tidak berlangsung pada suhu tinggi. Enzim bekerja secara spesifik
sehingga enzim harus sesuai dengan polisakarida yang akan dihidrolisis (Saha,
2003). Enzim yang digunakan adalah enzim selulase berjenis Cellusoft L.
Enzim Cellusoft L terdiri dari campuran tiga jenis enzim, yaitu
endoselulase, eksoselulase dan selobiase. Menurut Saha (2003), enzim selulase
bekerja spesifik untuk mengubah selulosa menjadi glukosa melalui tiga tahap.
Pada tahap pertama enzim endoselulase memecah ikatan kristal selulosa yang
semula berupa ikatan silang menjadi ikatan selulosa rantai lurus. Pada tahap ke
23
dua, enzim eksoselulase memecah selulosa berantai lurus menjadi selobiose, yaitu
senyawa yang terdiri
atas dua molekul glukosa. Pada tahap ke tiga, enzim
selobiase mengubah selobiose menjadi molekul-molekul glukosa.
Hidrolisis enzim mempunyai kelebihan dan kekurangan. Beberapa
kelebihan hidrolisis enzim selulase dibandingkan hidrolisis asam, antara lain tidak
terjadi degradasi gula hasil hidrolisis, tidak terjadi reaksi samping, lebih ramah
lingkungan, dan tidak melibatkan bahan-bahan yang bersifat korosif (Schacht
dkk., 2008), toksisitas yang rendah, dan dapat berlangsung pada pH dengan
kisaran 4,5-5,5 (AlJibouri 2012). Suhu
optimum aktivitas enzim selulase
berkisara antara 40oC-50oC (Gautam dkk., 2011). Kekurangan dari hidrolisis
enzim adalah harga enzim cukup mahal dan membutuhkan waktu yang lebih lama
bisa mencapai 72 jam (Kardono, 2010).
2.8.3 Fermentasi etanol
Fermentasi merupakan proses perubahan kimia pada substrat organik, baik
karbohidrat, protein, lemak, atau lainnya melalui kegiatan enzim atau mikroba
spesifik (Kristina dkk., 2012). Fermentasi karbohidrat oleh yeast merupakan
proses penghasil etanol dan karbondiaoksida secara anaerob (Sudarmadji dkk,
1989). Bioproses bioetanol terdiri atas dua metode yaitu metode Separated
Hydrolysis and Fermentation (SHF) dan metode Simultaneous Saccharification
and Fermentation (SSF). SHF merupakan metode hidrolisis dan fermentasi
dilakukan secara terpisah. Bahan baku yang mengandung selulosa mengalami
proses hidrolisis secara terpisah dari proses fermentasi. Hal ini dimaksudkan
24
untuk memudahkan pengontrolan terhadap tiap tahap, agar tercapai hasil yang
diingin (Irna dkk., 2013).
Sakarifikasi dan fermentasi simultan (SSF) merupakan salah satu metode
untuk konvsersi karbohidrat menjadi etanol. Pada tahap sakarifikasi, selulosa
diubah menjadi selobiosa dan selanjutnya menjadi gula-gula seperti glukosa
(Hermiati dkk., 2010). Pada metode SSF hidrolisis dan fermentasi dilakukan
secara bersamaan dalam satu reaktor. Pada metode ini menggunakan selulase dan
Sacchromyces cerevisiae dalam memproduksi glukosa dan fermentasi menjadi
etanol (Irna dkk., 2013). Kelebihan metode ini ialah dapat meningkatkan
kecepatan hidrolisis dengan konversi gula, mengurangi kebutuhan enzim,
meningkatkan rendemen produk, dapat mengurangi kebutuhan sterilisasi karena
glukosa langsung dikonversi menjadi etanol, serta waktu proses lebih pendek
(Hermiarti, 2010). Samsuri (2007) melaporkan, dengan mengunakan metode
sakarifikasi dan fermentasi simultan kadar etanol yang dihasilkan dari bagas
residu padat pengolahan tebu lebih besar dibandingkan dengan metode terpisah.
Menurut Budiyanto (2003), untuk mendapatkn hasil fermentasi yang
optimum perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut:
1. Kadar gula yang terlalu tinggi dapat menghambat aktivitas khamir.
Konsentrasi gula yang optimum untuk menghasilakan kadar etanol yang
optimum adalah 14-18%.
2. Suhu yang baik untuk fermentasi adalah 30oC. Semakin rendah suhu
fermentasi, maka semakin tinggi kadar etanol yang dihasilakn. Hal ini
dikarenakan pada suhu rendah CO2 lebih sedikit dihasilkan.
25
3. Derajat keasaman akan mempengaruhi kecepatan fermentasi. pH yang
optimum untuk fermentasi khamir adalah 4-4,5. Untuk pengaturan pH dapat
digunakan NaOH untuk menaikan pH dan asam sitrat untuk menurunkan pH.
pH ideal untuk fermentasi adalah 4-6 (Saroso, 1998).
Proses fermentasi umumnya dijumpai empat fase pertumbuhan mikroba
yaitu fase lag, log, stasioner, dan kematian (Jamilatun, 2010). Menurut Fardiaz
(1992), fermentasi etanol meliputi dua tahap yaitu:
1. Pemecahan rantai karbon dari glukosa dan pelepasan paling sedikit dua pasang
atom hydrogen melalui jalur EMP (Embden Meyerhoff Parnas), menghasilkan
senyawa karbon lainnya yang lebih teroksidasi daripada glukosa.
2. Senyawa yang teroksidasi tersebut direduksi kembali oleh atom hydrogen
yang dilepaskan dalam tahap pertama, membentuk senyawa-senyawa hasil
fermentasi yaitu etanol.
Dari satu mol glukosa akan terbentuk dua molekul etanol dan dua molekul
CO2 sehingga berdasarkan bobotnya secara teoritis 1 gram glukosa akan
menghasilakn 0,51 gram etanol (Judoamidjojo, 1990). Reaksi pembentukan etanol
sebagai berikut:
C6H12O6
2C2H5OH + 2CO2
Kecepatan fermentasi etanol dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti
susunan substrat, kecepatan pemakaian zat gizi, tingkat inokulasi, keadaan
fisiolagi khamir, aktivitas enzim-enzim jalur EPM, toleransi khmir terhadap gula,
dan kadar alkohol serta kondisi selama fermentasi (Astuti, 1991).
26
2.8.4 Destilasi
Destilasi atau penyulingan adalah suatu metode pemisahan larutan
berdasarkan perbedaan titik didih (Kristina dkk., 2012). Menurut Nurdyastuti
(2006), untuk meningkatkan kemurnian bioetanol hasil fermentasi, maka harus
melalui proses destilasi. Titik didih etanol murni adalah 78oC sedangkan air
adalah 100oC (kondisi standar) (Kristina dkk., 2012).
2.10.4 Penentuan Kadar Etanol
Untuk mengetahui kadar etanol yang dihasilkan dari proses destilasi, maka
perlu dianalisa atau diukur kadarnya. Metode yang biasa digunakan untuk
pengukuran kadar etanol yaitu metode berat jenis (piknometer), massa jenis
destilat diukur dengan rumus (AOAC, 1984) dan gas kromattografi. Berat jenis
dihitung dengan rumus berikut:
D-P
A=
W-P
Keterangan : A: Berat jenis larutan standar etanol (g/ml)
D: Massa destilat (g)
W: Massa piknometer berisis aquades (mL)
P: Massa piknometer kosong (g)
Kadar etanol dihitung menggunakan persamaan kurva baku konversi
massa jenis etanol. Massa jenis larutan etanol semakin kecil, maka kadar etanol di
dalam larutan tersebut semakin besar. Hal ini dikarenakan etanol mempunyai
berat jenis lebih kecil daripada air sehingga semakin kecil berat jenis larutan
berarti jumlah/kadar etanol semakin banyak (Mardoni, 2007). Selain metode berat
27
jenis, untuk menentukan kadar etanol dapat digunakan kromatografi Gas (GC).
Penentuan kadar etanol dilakukan dengan pendekatan luas area yang
dibandingkan dengan luas area standar. Standar etanol yang digunakan adalah
etanol 99,98 %. Kemudian kadar etanol dihitung dengan rumus yang digunakan
oleh Subekti (2006), sebagai berikut:
Luas area sampel
Kadar etano (%) =
x % konsentrasi standar
Luas area standar
28