BAB VI PEMBAHASAN UMUM
6.4 Peranan karbon aktif pada hidrolisis dan kinerja
Penggunaan karbon aktif terbukti dapat meningkatkan hasil glukosa pada proses hidrolisis ampas tapioka menggunakan pemanasan gelombang mikro dalam medium air (Gambar 3.1). Hal ini sejalan dengan hasil penelitian Matsumoto et al. (2011) yang melakukan hidrolisis pati jagung menggunakan
pemanasan gelombang mikro dengan penambahan karbon aktif. Karbon aktif merupakan bahan yang mempunyai sifat menyerap (mengabsorpsi) energi gelombang mikro dan kemudian mengubahnya menjadi energi panas. Sifat ini digambarkan dengan nilai dielectric loss tangent (tan δ), yaitu semakin tinggi nilai tan δ suatu bahan, maka semakin besar kemampuan bahan tersebut menyerap energi gelombang mikro dan mengubahnya menjadi panas (Gabriel et al. 1998; Menendez et al. 2010). Dielectric loss tangent terdiri dari dua parameter, yaitu konstanta dielektrik (dielectric constant) dan dielectric loss factor. Konstanta dielektrik (ε′) menggambarkan berapa banyak energi yang diserap dan berapa banyak yang dipantulkan, sedangkan dielectric loss factor (ε′′) menggambarkan dissipasi energi listrik dalam bentuk panas pada bahan. Dielectric loss tangent
diperoleh dari ε′′/ε′. Menurut Menendez et al. 2010, pada 2,45 GHz dan 298 K air suling mempunyai nilai tan δ sebesar 0,12, sedangkan karbon aktif sebesar 0,57-0,80. Walaupun nilai tan δ karbon aktif yang digunakan pada penelitian ini tidak dianalisis, kemungkinan besar nilainya lebih besar daripada tan δ air suling. Hal ini diduga merupakan salah satu faktor yang mengakibatkan terjadinya peningkatan hidrolisis ampas tapioka dalam medium air. Selain itu, keberadaan karbon aktif juga diduga mengakibatkan terbentuknya mikroplasma (hot spot) pada titik-titik tertentu di permukaan karbon aktif yang menghasilkan suhu yang sangat tinggi, sehingga dapat mempercepat reaksi (Zhang et al. 2007). Akan tetapi, fenomena hot spot ini tidak hanya terjadi pada permukaan karbon aktif, namun juga di lokasi lain. Pada lokasi-lokasi ini terjadi peningkatan suhu yang sangat tinggi yang disebabkan oleh tidak seragamnya pemanasan yang terjadi karena adanya ketergantungan sifat elektromagnetik dan sifat termal bahan terhadap suhu yang sifatnya tidak linear (Jones et al. 2002).
Penggunaan karbon aktif pada hidrolisis dalam medium air juga berdampak positif dengan dihasilkannya hidrolisat dengan warna yang lebih terang (Gambar 3.4; Tabel 3.2), karena karbon aktif mengadsorpsi senyawa berwarna coklat, seperti furfural dan HMF, yang merupakan hasil degradasi sekunder karbohidrat. Semakin banyak karbon aktif yang ditambahkan, maka semakin rendah HMF dalam hidrolisat (Tabel 3.3). Namun demikian, jika karbon aktif yang ditambahkan semakin banyak, pada titik tertentu terjadi penurunan hasil glukosa,
yang diduga disebabkan oleh teradsorpsinya sebagian maltooligomer di permukaan karbon aktif, sehingga maltooligomer tersebut tidak terhidrolisis lebih lanjut menjadi glukosa.
Pada hidrolisis dalam medium asam sulfat, penambahan karbon aktif (10-50% dari berat ampas tapioka), baik yang mempunyai luas permukaan atau daya adsorpsi tinggi maupun rendah, menurunkan hasil glukosa (sekitar 10-15%) (Gambar 5.2). Ada beberapa kemungkinan yang mengakibatkan hal ini. Pertama, nilai dielectric loss tangent (tan δ) asam sulfat kemungkinan lebih tinggi daripada tan δ karbon aktif, walaupun sejauh ini belum diperoleh literatur yang melaporkan nilai tan δ asam sulfat. Dugaan ini berdasarkan nilai tan δ asam asetat dan asam formiat, masing-masing 0,174 dan 0,722 (Gabriel et al. 1998), yang merupakan asam organik dan bersifat sebagai asam lemah. Kedua adalah karena adanya ion hidrogen pada asam sulfat yang dapat mempercepat terjadinya pemutusan ikatan glikosidik pada rantai molekul penyusun pati. Oleh karena itu, tanpa karbon aktif pun proses hidrolisis dalam medium asam sudah dapat berjalan dengan hasil glukosa yang tinggi. Adapun karbon aktif yang berada di dalam hidrolisat mengadsorpsi beberapa produk hidrolisis seperti maltooligomer, glukosa ataupun senyawa-senyawa hasil degradasi gula sederhana seperti HMF dan furfural, sehingga hasil glukosa yang diperoleh dari hidrolisat yang diberi perlakuan karbon aktif lebih rendah daripada tanpa karbon aktif. Karbon aktif dengan sifat adsorpsi yang sangat berbeda memberikan perbedaan dalam penurunan kadar HMF. Karbon aktif dengan luas permukaan atau daya adsoprsi yang tinggi dapat menurunkan kadar HMF lebih tinggi daripada karbon aktif dengan luas permukaan atau daya adsorpsi yang rendah.
Untuk mempelajari lebih jauh peran karbon aktif terhadap kinerja fermentasi, maka proses fermentasi dilakukan pada hidrolisat tanpa karbon aktif, hidrolisat dengan karbon aktif ditambahkan pada proses hidrolisis dan hidrolisat dengan karbon aktif ditambahkan sebelum fermentasi. Sifat adsorpsi karbon aktif dan keberadaan karbon aktif dalam hidrolisat ternyata berpengaruh terhadap kinerja fermentasi pada hidrolisat. Karbon aktif dengan luas permukaan atau daya adsorpsi tinggi dapat meningkatkan produktivitas etanol dalam hidrolisat (0,44-0,55 g/L/jam), sedangkan karbon aktif dengan luas permukaan atau daya adsorpsi
yang rendah tidak (0,28-0,33 g/L/jam) (Tabel 5.2). Hasil penelitian penambahan karbon aktif ke dalam hidrolisat ampas tapioka sebelum fermentasi menyokong hasil penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Ikegamai et al. (2000) sehubungan dengan dugaan bahwa glukosa yang teradsorpsi di permukaan karbon aktif masih tetap dapat difermentasi oleh Saccharomyces cerevisiae, sehingga walaupun konsentrasi glukosa menurun setelah penambahan kabon aktif, hasil etanol yang diperoleh tetap tinggi (32% dari berat ampas tapioka kering) (Tabel 5.3). Terjadinya fermentasi glukosa yang teradsorpsi di permukaan karbon aktif diduga berkaitan dengan proses kesetimbangan molekul glukosa di dalam larutan. Pada proses adsorpsi terjadi keseimbangan antara molekul yang diadsorpsi dan molekul dalam larutan. Ketika sebagian molekul glukosa dikonsumsi oleh khamir, maka untuk menjaga kesetimbangan terjadi desorpsi molekul glukosa dari permukaan karbon aktif ke dalam larutan, sehingga semua glukosa yang terbentuk pada proses hidrolisis tetap dapat difermentasi oleh khamir. Namun demikian, hal ini perlu dikaji lebih jauh dengan memperhatikan aspek-aspek lain yang terjadi pada sistem fermentasi heterogen ini, misalnya kecepatan difusi komponen-komponen yang ada di dalam hidrolisat pada permukaan karbon aktif. Pada hidrolisat dengan karbon aktif yang ditambahkan ke dalam suspensi ampas tapioka sebelum hidrolisis, walaupun produktivitas etanolnya tinggi (0,44 g/L/jam), hasil etanol yang diperoleh (29% dari berat ampas tapioka kering) lebih rendah dari hidrolisat tanpa karbon aktif (31% dari berat ampas tapioka kering) (Tabel 5.2, 5.3). Hal ini memperkuat dugaan bahwa pada hidrolisat ini ada sebagian maltooligomer yang teradsorpsi di permukaan karbon aktif dan maltooligomer tersebut tidak terhidrolisis lebih lanjut menjadi glukosa, sehingga tidak dapat dikonversi menjadi etanol oleh S. cerevisiae.
Hasil etanol (g etanol / g glukosa awal) dari ampas tapioka yang dihasilkan dari penelitian ini (0,46-0,50 g etanol / g glukosa awal) sedikit lebih rendah daripada yang didapatkan Thongchul et al. (2010) melalui proses hidrolisis enzimatis dan fermentasi dengan Rhizopus oryzae (0,52-0,59 g etanol / g glukosa), namun hasil yang diperoleh Thongchul et al. (2010) ini perlu diklarifikasi karena nilainya lebih besar dari 0,511, yaitu nilai tertinggi yang mungkin diperoleh dari hasil konversi glukosa menjadi etanol. Dalam hal ini perlu diteliti apakah R.
oryzae dapat mengkonversi gula sederhana dari hemiselulosa, seperti xilosa, menjadi etanol, sehingga hasil etanol yang diperoleh lebih besar dari 0,511 g etanol / g glukosa. Hasil etanol yang diperoleh pada penelitian ini lebih tinggi dari yang diperoleh Kosugi et al. (2009) melalui proses hidrolisis hidrotermal dan enzimatis serta fermentasi dengan S. cerevisiae (0,31 g etanol / g glukosa) maupun proses hidrotermal dan S. cerevisiae yang direkayasa mempunyai aktivitas glukoamilase (0,30 g etanol / g glukosa). Adapun hasil etanol berdasarkan berat ampas tapioka kering (27-32%) lebih tinggi daripada yang diperoleh Kunhi et al. (1981) melalui hidrolisis enzimatis dan fermentasi dengan S. cerevisiae, yaitu 27,050%. Dengan demikian, hidrolisis menggunakan iradiasi gelombang mikro dengan penambahan karbon aktif dapat dijadikan sebagai salah satu alternatif metode hidrolisis ampas tapioka menjadi glukosa yang selanjutnya akan digunakan untuk produksi etanol, dengan hasil yang setara atau lebih baik dari metode lain yang telah diteliti.
6.5. Potensi penggunaan pemanasan gelombang mikro untuk proses