KULTUR CAMPURAN
7 Proses produksi etanol dari lignoselulosa
Proses produksi bioetanol dari lignoselulosa meliputiproses penanganan bahan baku, perlakuan pendahuluan, sakarifikasi dan ko-fermentasi, distilasi dan dehidrasi, boiler, penggudangan, pengolahan limbah cair, dan utilitas (Gambar 21). Berdasarkan hasil pemilihan rancangan di atas maka R3 secara teknologi, selanjutnya dalam rangka evaluasi dari aspek lingkungan dan ekonomi maka disusun rancangan proses dengan basis perhitungan kapasitas produksi 1000 liter etanol per hari (Gambar 21).
Bahan baku yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1000 liter etanol adalah 7.880 kg biomassa tanaman jagung kering (kadar air sekitar 10%). Dengan basis perhitungan tersebut maka dapat dihitung nilai biaya investasi, kapasitas, kebutuhan energi, dan emisi yang ditimbulkannya sehingga dapat digunakan untuk analisis tekno-ekonomi dan dampak lingkungan dari proses produksi yang dibahas pada Bab IV dab Bab V.
Pengeringan (kdr air ± 10%) Pengecilan ukuran (2-10 mm) Biomassa Tanaman Jagung (BTJ) Delignifikasi 70 OC, 2 jam Limbah Cair Ca(OH)2 591 kg Air 49.253 L Hidrotermolisis I 121 OC, 1 jam Air 31.203 L Hidrolisat cairan Hidrotermolisis II 180-190 OC, 20 menit Air 33.621 L Prehidrolisis 51 OC, 24 jam Enzim selulase Enzim xilanase SKFS 32 OC, 48 jam Nutrien Kultur Etanol 95 % 1000 L Distilasi 100 OC, 5 jam Air 30.027 L Limbah Padat 847 kg Pencucian dan Pemisahan Air 29.270 L Pemisahan Pemurnian (dg zeolit) Etanol 99 % Unit Pengolah Limbah Cair 9,271 kg 7.880 kg 41.810 L
Gambar 21 Rancangan proses produksi etanol dari lignoselulosa
Simpulan dan Saran 1 Simpulan
Konversi lignoselulosa tanaman jagung menjadi etanol ditentukan oleh jenis enzim dan kultur yang dipergunkan. Konversi terbaik terjadi pada sakarifikasi dan fermentasi (SKFS) lignoselulosa menggunakan enzim kasar dan biakan campuran Z. moblis dan P. stipitis dengan konsentrasi bioetanol mencapai 43,08 g/l dan waktu fermentasi 48 jam.
2 Saran
Penelitian lebih lanjut dapat dilakukan untuk memperbaiki proses konversi lignoselulosa menjadi etanol antara lain :
1 Pembebanan enzim kasar maupun enzim murni dibuat sama per unit biomassa.
2 Pengujian kandungan selulosa dan hemiselulosa baik pada substrat padat maupun limbah padat yang dihasilkan.
3 Penerapan mode operasi sakarifikasi dan fermentasi, misalnya pengumpanan substrat secara fed-batch, pengikatan enzim maupun mikroba pada media tertentu.
Daftar Pustaka
Agbogbo et al. The effect of Initial Cell Concentration on Xylose Fermentation by Pichia stipitis. Applied Biochemistry and Biotechnology 136-140 : 653- 662.
Agbogbo FK, Coward-Kelly G. 2008. Cellulosic ethanol production using naturally occurring xylose-fermenting yeast, Pichia stipitis. Biotechnol Lett 30:1515-1524.
Belitz HD, Grosch W. 1999. Food Chemistry. Terjemahan dari Edisi Jerman keempat oleh M.M. Burghagen, G. Hadziyev, P. Hessel, S. Jordan, C. Sprinz. Springer.
Bransby DI. 2007. Cellulosic Biofuel Technologies. 202 Funchess Hall, Aurburn University.
Brown RC. 2003. Biorenewable Resources : Engineering New products from Agriculture. USA : Iowa State Press.
Coral G, Arakin B, Unaldi MN, Govenmez H. 2010. Some Properties of Crude Carboxymethyl Cellulase of Aspergillus niger Z10 Wild-Type Strain. Turk. J. Biol. 26:209-213.
Dien BS, MA Cotta, TW Jeffries. 2003. Bacteria engineered for fuel ethanol production: current status. Appl. Microbiol. Biotechnol. 63 : 258−266. Dubois, M.; Gilles, K.A.; Hamilton, J.K.; Rebers. P.A. and Smith, F. 1956. Anal.
Fatma H, El-Zaher A, Fadel M. Production of Bioethanol Via Enzymatic Saccharification of Rice Straw by Cellulase Produced by Trichoderma Reesei Under Solid State Fermentation. New York Science Journal 3:72- 78.
Hartoto L. 1992. Petunjuk Laboratorium Teknologi Fermentasi. Depdikbud. PAU. IPB, Bogor.
Jeppsson H, NJ Alexander, B Hanh-Hangerdal. 1995. Exitence of cyanide- insentive respiration in the yeast Pichia stipitis and its possible influence on product formating during xylose utilization. Appl. Environ. Microbiol. 61:2596-2000.
Kádár Zs, Szengyel Zs, Réczey K. 2004. Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) ofindustrial wastes for the production of ethanol. Industrial Crops and Products 20:103–110.
Kim, S. dan M. T. Holtzapple. 2006a. Effect of Structural Features on Enzyme Digestibility of Corn Stover. Bioresource Technology 97:583-591.
Kumar R, Singh S, Singh OV. 2008. Bioconvesion of lignocellulosic biomass : biochemical and molecular perspectives. J Ind Microbiol Biotechnol 35: 377-391.
Mokushitsu Kagaku Jiken Manual. 2000. Japan Wood Research Society Publisher.
Miller, G.L. 1972. Anal. Chem., 31, p. 426
Nakamura S, K Wakabayashi, R Nakai, R Aono, K. Horikoshi. 1993. Purification and same properties of an alkaline xylanase from alkaliphilic Bacillus sp strain 41m1. Appl. Environ. Microbiol. 59:2311-2316.
Obire, O. 2005. Activity of Zymomonas sp in palm-sap obtained in three areas in edo state, nigeria. J. Appl. Sci. Environ. Manage 9:25-30.
Okur, MT, NE Saracoglu. 2006. Etanol production from sunflower seed hull hydrolysate by Pichia stipitis under uncontrolled pH conditions in bioreactor. Turkish J. Eng. Env. Sci. 30:317-322.
Olofsson K, Bertilson M, Liden G. 2008. A short review on SSF-an interesting process option for ethanol production from lignocellulosic feedstocks. Biotechnology for Biofuel 1:7, 1-14.
Olofsson K, Rudolf A, Liden G. 2008. Designing simultaneous saccharification and fermentation for improved xylose conversion by a recombinant strain of Saccharomyces cerevisiae. Journal of Biotechnology 134:112–120. Öhgren K, Rudolf A, Galbe M, Zacchi G. 2006. Fuel ethanol production from
steam-pretreated corn stover using SSF at higher dray matter content. Biomass and Bioenergy 30:863-860.
Öhgren K, J Vehmaanperä, M Siika-Aho, M Galbe, L Viikari, G Zacchi. 2007. High temperature enzymatic prehydrolysis prior to simultaneous saccharification and fermentation of steam pretreated corn stover for ethanol production. Enzyme and Microbial Technology 40:607-613.
Philippidis GP. 1996. Cellulose Bioconversion Technology, In handbook on Bioethanol : Production and Utilization, Taylor & Francis.
Rogers PL, Jeon YJ, Lee KJ, Lawford HG. 2007. Zymomonas mobilis for Fuel Ethanol and Higher Value Products. Adv Biochem Engin/ Bioethanol 108: 263-288.
Rouhollah H, Iraj N, Giti E, Sorah A. 2007. Mixed Sugar Fermentation by Pichia stipitis, Saccharomyces cerevisiae, and isolated xilose fermenting Kluyveromyces marxianus and their culture. African Journal of Biotechnology. http://www.academycjournals.org/AJB, 2 Mei 2007. Rutz D, Janssen R. 2007. Biofuel Technology Handbook. Jerman : WIP
Renewable Energies, Sylvensteinstr.
Sierra R, Smith A, Grdana C, Holtzapple MT. 2008. Producing fuels and chemicals from lignocellulosic biomass. Sbe special edition : biofuels.
http://www.aiche.org/SBE/Publication/Articles.aspx, 27 Oktober 2008. Wang D, Wu X, Bean S, Wilson JP. 2006. Ethanol production from pearl millet
using Saccharomycess cerevisiae. Cereal Chem. 83 (2):127-131.
Zhang, M., Eddy C, Dedana K, Finkelstein M, Picataggio S. 1995. Metabolic engineering of a pentose metabolism pathway in ethanologenic Zymomonas mobilis. Science. 267:240−243.
Lampiran 7 Prosedur analisa parameter fermentasi a. Total biomassa (Hartoto 1992)
Sebanyak 1,5 ml sampel dimasukkan ke dalam tabung eppendorf yang telah diketahui bobot awalnya. Setelah itu sampel disentrifugasi pada kecepatan 13.000 rpm selama 5 menit. Kemudian dilakukan pemisahan antara supernatan dengan biomassanya. Tabung eppendorf yang telah berisi biomassa dimasukkan aquades steril sebanyak 1,5 ml kemudian dilakukan sentrifugasi kembali. Pemisahan aquades dan biomassa dilakukan, kemudian tabung eppendorft yang berisi biomassa dikeringkan pada suhu 50oC selama 24 jam. Bobot kering biomassa adalah bobot tabung yang berisi biomassa yang telah dikeringkan dikurangi dengan bobot awal tabung.
(12)
b. Kadar etanol
Pengukuran kadar etanol sampel dilakukan menggunakan GC (Gas Chromatography ). Penentuan dilakukan dengan membandingkan waktu retensi sampel dengan waktu retensi standard etanol. Standard etanol yang diinjeksikan dengan konsentrasi 99,8%(v/v). Kadar etanol yang terdapat dalam sampel dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
(13) c. Penetapan total gula metode fenol H2SO4 (Dubois et al. 1956)
Sebelum melakukan pengujian sampel maka perlu diketahui kurva standard fenol yang digunakan. Pembuatan kurva standard mengandung 0, 10, 20, 30, 40 dan 60 ppm glukosa masing-masing dimasukkan ke dalam tabung reaksi, ditambahkan 5 ml larutan fenol 5 persen dan dikocok. Kemudian 5 ml asam sulfat pekat ditambahkan dengan cepat. Biarkan selama 15 menit. Absorbansinya diukur pada 490 nm. Pengujian sampel sama dengan pembuatan kurva standard fenol hanya 2 ml larutan glukosa diganti dengan 2 ml sampel.
d. Penetapan gula pereduksi hidrolisat dengan metode DNS (Miller 1972) Prinsip metode ini adalah dalam suasana alkali gula pereduksi akan mereduksi 3,5-dinitrosolisilat (DNS) membentuk senyawa yang dapat diukur absorbansinya pada panjang gelombang 550 nm.
- Penyiapan pereaksi DNS
Pereaksi DNS dibuat dengan melarutkan 10,6 g asam 3,5 dinitrosolisilat dan 19,8 g NaOH ke dalam 1416 ml air. Setelah itu ditambahkan 306 g Na- Ktaratat, 7,6 g fenol yang dicairkan pada suhu 50 0C dan 8,3 g Na-Metebisulfit. Larutan ini diaduk rata, kemudian 3 ml larutan ini dititrasi dengan HCl 0,1 N dengan indikator fenolftalein. Banyaknya titran berkisar 5-6 ml. Jika kurang dari itu harus ditambahkan 2 g NaOH untuk setiap ml kekurangan HCl 0,1 N. - Penetuan Kurva Standard
Kurva standard dibuat dengan mengukur nilai gula pereduksi pada glukosa 0,2
– 0,5 mg/l. Kemudian nilai gula pereduksi dicari dengan metode DNS. Hasil yang didapatkan diplotkan dalam grafik secara linier.
- Penentuan Gula Pereduksi
Contoh sebanyak 1 ml dimasukkan ke dalam tabung reaksi dan ditambah 3 ml pereaksi DNS, dipanaskan dalam air mendidih selama 5 menit, kemudian didinginkan sampai suhu kamar. Ukur pada panjang gelombang 550 nm.
Lampiran 8 Pertumbuhan Z. mobilis dan P. stipitis
Waktu (jam)
Z. mobilis, Jumlah Koloni (10 ) P. stipitis, Jumlah Koloni (10 ) Ulangan 1 Ulangan 2 Rata-rata Ulangan 1 Ulangan 2 Rata-rata
0 4 3 3.50 1 3 2.00 3 5 5 5.00 3 6 4.50 6 6 6 6.00 4 8 6.00 12 12 8 10.00 7 10 8.50 18 16 12 14.00 10 12 11.00 24 20 16 18.00 12 14 13.00 30 24 20 22.00 20 24 22.00 36 26 17 21.50 38 40 39.00 42 24 22 23.00 113 123 118.00 48 28 15 21.50 125 122 123.50 54 21 13 17.00 180 99 139.50 60 10 12 11.00 191 127 159.00 66 9 10 9.50 138 108 123.00 72 8 8 8.00 120 104 112.00 78 6 5 5.50 68 14 41.00 84 4 3 3.50 22 12 17.00 90 3 2 2.50 19 10 14.50 96 2 1 1.50 16 6 11.00
Lampiran 9 Produksi etanol dari substrat campuran glukosa dan xilosa Waktu Fermentasi (jam) S. cerevisiae + Z. mobilis Z. mobilis + P. stipitis S. cerevisiae + P. stipitis 0 0.000 0.000 0.000 24 3.669 14.320 6.983 48 6.628 22.210 7.248 72 8.166 30.692 6.191 96 9.113 39.056 6.466
Lampiran 10 Konsentrasi gula pereduksi dan produksi etanol Rancangan SKFS Waktu (jam) Kons. Gula reduksi (g/l) Kons. Etanol (g/l) R1 0.1 11.634 0.000 12 9.517 0.552 24 8.585 1.341 48 5.550 3.235 72 5.460 9.941 96 3.635 6.549 R2 0 53.010 0.000 24 41.189 2.560 48 43.203 6.350 72 36.050 5.920 96 26.798 3.000 R3 0 50.304 0.000 24 79.449 23.177 48 53.406 43.079 72 17.733 24.005 96 29.236 25.347 R4 0 50.304 0.000 24 19.284 18.226 48 30.076 21.599 72 81.841 9.034 96 54.310 5.996 R5 0 53.019 0.000 24 47.356 5.330 48 42.318 6.710 72 36.764 9.190 96 24.233 3.000
Lampiran 11 Pemilihan rancangan proses produksi terbaik berdasarkan konsentrasi etanol, rendemen dan waktu fermentasi Rancangan Proses Produksi Kons. etanol (g/l) Rendemen % (b/b) Waktu (jam) Transformasi Nilai alternatif Peringkat Kons. etanol Rendemen Waktu
R1 9.941 10.31 72 157 149 67 123 4
R2 6.350 6.92 48 100 100 100 99 5
R3 43.079 27.64 48 678 399 100 389 1
R4 21.599 25.81 48 340 373 100 268 2
R5 9.190 12.71 72 145 184 67 130 3
Ketentuan : Konsentrasi etanol dan rendemen adalah maksimisasi Waktu fermentasi adalah minimisasi