1
Pengolahan Awal Menggunakan Campuran NaOH dan NH4OH Untuk Menghilangkan Lignin Sebagai Bahan Mentah Bioetanol
Dita Yulia Putri, Asmak Un Najiyah, Erti Praputri, Maria Ulfah Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Bung Hatta, Padang
Abstrak
Pretreatment (pengolahan awal) merupakan salah satu langkah penting dalam biokonversi biomassa lignoselulosa untuk menghasilkan bioetanol. Pengolahan awal atau proses delignifikasi, diperlukan untuk menghilangkan lignin dari biomassa sehingga meningkatkan produktivitas konversi bioetanol. Banyak peneliti mencoba beberapa metode yang lebih baik untuk delignifikasi dengan menggunakan berbagai larutan kimia berbasis basa dalam berbagai kondisi, seperti NaOH, Ca(OH)2, NH4OH, dan jenis-jenis basa lainnya.
Dalam penelitian ini, delignifikasi dilakukan dengan menggunakan campuran Amonium hidroksida dan Natrium hidroksida pada kondisi ringan (25oC dan 1 atm) untuk berbagai waktu pengolahan awal (0,5, 1, 2, 5, 24, 48 jam, 7 hari dan 9 hari). Jerami padi digunakan sebagai biomassa lignoselulosa yang berpotensi di Indonesia, yang terdiri dari selulosa 33% (berat), hemiselulosa 26% (berat), dan lignin 18% (berat). Hasil penelitian menunjukkan bahwa sekitar 90% berat lignin dapat dihilangkan dengan menggunakan larutan campuran Amonium hidroksida dan Natrium hidroksida dalam 24 jam. Selanjutnya, keberhasilan pengolahan awal ini juga dapat dianalisis melalui peningkatan ketercernaan selulosa oleh enzim pada proses lanjutan (proses sakarifikasi/hidrolisis). Hasil penelitian menunjukkan bahwa lamanya perendaman pada proses pengolahan awal mempengaruhi derajat ketercernaan enzim. Sesuai dengan teori kinetika reaksi, maka makin lama perendaman maka derajat ketercenaannya juga makin besar. Hal ini dibuktikan dengan derajat ketercernaan terbesar diperoleh pada perendaman selama 9 hari. Pada pengolahan awal selama 24 jam, besarnya perolehan glukosa hasil sakarifikasi adalah sebesar 462 mg/dL dengan menggunakan larutan campuran Amonium hidroksida dan Natrium hidroksida sebagai reagen pendelignifikasi. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa penggunaan larutan campuran Amonium hidroksida dan Natrium hidroksida menunjukkan hasil yang lebih baik untuk proses delignifikasi dan meningkatkan perolehan glukosa.
Keyword: proses delignifikasi, jerami padi, bioetanol, kondisi ringan, campuran larutan.
Abstract
Pretreatment is one of the important steps in bioconversion of lignocellulosic biomass to produce bioethanol. Pretreatment, called by delignification process, is needed to remove lignin content from biomass and therefore enhance the productivity of bioethanol conversion. Many researchers were trying to have a better method for delignification by using many chemical solutions in various conditions, such as NaOH, Ca(OH)2, NH4OH, etc. In this study, delignification was carried out in mixture solution from ammonium hydroxide and sodium hydroxide at a mild condition (25oC and 1 atm) for various time of pretreatment (0.5, 1, 2, 5, 24, 48 hrs, 7 and 9 days). Rice straw was used as a potential lignocellulosic biomass in Indonesia, which is mainly consisting of 33 wt% cellulose, 26 wt% hemicelluloses, and 18 wt% lignin, respectively. The results indicate that about 90 wt% lignin was removed with the mix solution in 24 hrs. The sodium hydroxide and ammonia mixture solution shown the better
2
result for delignification process compare to use them separately. Furthermore, the success of this initial processing can also be analyzed through an increase in the digestibility of cellulose by enzymes in advanced process (the process of saccharification / hydrolysis). The results showed that the duration of immersion in the pretreatment affects the degree of enzyme digestibility. In accordance with the theory of reaction kinetics, then the longer soaking the degree of digestibility is also greater. This is evidenced by the greatest degree of digestibility obtained in immersion for 9 days. At the beginning of treatment for 24 hours, the amount of glucose acquisition saccharification result amounted to 462 mg / dL by using a mixed solution of Ammonium hydroxide and Sodium hydroxide as a reagent delignification. It can be concluded that the use of a mixture of Ammonium hydroxide and NaOH solution showed better results for the delignification process and enhance the enjoyment of glucose.
Keyword: delignification process, rice straw, bioethanol, mild condition, mixture solution.
1.Pendahuluan
Salah satu bahan baku biomassa lignoselulosa yang berpotensi dan tersedia untuk produksi bioetanol adalah jerami padi. Data BPS Indonesia menunjukkan perolehan jerami padi adalah sekitar 77 juta ton hasil panen padi setiap tahun. Ini akan menghasilkan 77-115.000.000 ton jerami padi. Jerami padi belum digunakan secara luas sebagai produk yang bermanfaat, seperti sumber energi. Hal ini dapat menyebabkan pencemaran lingkungan (polusi air dan polusi udara) dan akibatnya mempengaruhi kesehatan masyarakat. Sebagai biomassa lignoselulosa, jerami padi mengandung sekitar 32-47% selulosa, 19 - 27% hemiselulosa, dan 5-24% lignin (Saha, 2003). Selulosa dan hemiselulosa (dikenal dengan komponen karbohidrat) dapat dihidrolisis menjadi gula sederhana, dan kemudian difermentasi menjadi bioetanol oleh mikroorganisme.
Kemungkinan proses untuk memanfaatkan biomassa lignoselulosa menjadi etanol adalah konversi biologis (biokonversi), yang merupakan enzim dan mikroorganisme digunakan sebagai reagen. biomassa lignoselulosa terhadap enzimatik hidrolisis atau fermentasi proses disebabkan oleh lignin mungkin mencakup rantai
komponen karbohidrat lanjut mengurangi aksesibilitas mereka untuk enzim dan mikroorganisme, bersama-sama dengan kristalinitas tinggi selulosa (Kim dan Lee, 2006). Oleh karena itu, langkah
pretreatment diperlukan untuk mengubah struktur mikroskopis dan makroskopis bahan serta komposisi kimia, sehingga konversi enzimatik menjadi gula monomer dapat dilakukan lebih cepat dengan hasil yang lebih besar (Mosier et al., 2005). Beberapa penelitian mendukung
pretreatment kimia seperti pengobatan dengan HCl (Hsu et al, 2010;.. Saha et al, 2005); Natrium hidroksida dan kapur (Kaar dan Holtzapple, 2000; Kim dan Holtzapple, 2005); atau amonia cair (Jung et al, 2011;.. Silvi et al, 2010).
Hipotesis penelitian ini adalah bahwa lignin yang terkandung dalam jerami padi akan lebih mudah larut dalam larutan campuran antara NaOH dan NH4OH, akan
meningkatkan efek dari pretreatment yang dibandingkan dengan larutan amonia, NaOH, dan pengolahan air pada suhu kamar. Hasil ini juga bertujuan untuk mengetahui pengaruh kombinasi sinergis ketika menggunakan campuran NaOH- NH4OH untuk mengetahui berapa lama
3 waktu yang diperoleh pada proses
pretreatment.
2.Metodologi
Jerami padi dipasok dari usaha tani padi di Padang Pariaman, Sumatera Barat. Jerami padi tersebut dipotong acak sepanjang 1 cm, dicuci, dan dikeringkan dalam oven pada suhu 40oC selama 24 jam untuk mencapai kadar air dari 5 - 10% berat. Bahan yang telah kering disimpan di kantong plastik dan disimpan pada suhu kamar sampai digunakan lebih lanjut. Semua bahan kimia diperoleh dari Sigma-Aldrich.
Cara Kerja
Sebanyak 20 gram jerami padi kering yang telah melalui proses persiapan bahan, direndam dalam beaker glass dengan menambahkan larutan campuran Ammonium hidroksida dan Sodium hidroksida dengan variasi 1:1. Perendaman dilakukan berdasarkan variable waktu perendaman yang telah ditentukan. Setelah proses perendaman selesai, dilakukan pemisahan dengan menggunakan penyaring
Goochner. Bahan padatan dicuci hingga air cuciannya bersih, selanjutnya bahan padatan yang telah dicuci dikeringkan dalam oven pada temperatur 40oC selama 24 jam dan sebagian bahan diambil untuk proses hidrolisis, kemudian dilanjutkan dengan proses sakarifikasi yaitu dibuat larutan buffer, diambil sampel sebanyak 5 gram dan dimasukkan ke dalam erlenmeyer, dimasukkan larutan buffer kedalam erlenmeyer dan enzim selulosa hingga mencapai 100 ml, letakkan di atas
waterbath shaker pada suhu 40°C dan kecepatan 125 rpm dan dicuplik 7 kali selama 72 jam dan dihitung kadar glukosa. 3.Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan pada pengolahan awal
(preatreatment) dengan menggunakan basa NaOH dan NH4OH dalam peningkatan
konversi jerami padi sebagai bahan baku bioetanol, diperoleh grafik antara perbandingan waktu pengolahan awal terhadap penghilangan lignin dan grafik perbandingan antara waktu dengan kadar glukosa yang diperoleh.
Grafik 1. Perbandingan waktu terhadap penghilangan lignin
Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin lama waktu perendaman maka kadar lignin yang hilang pada bahan semakin meningkat, terlihat pada grafik di atas, pada waktu 0,5 jam diperoleh kadar lignin yang hilang terendah yaitu 16,77 %, sementara pada waktu 1 jam kadar lignin yang hilang mengalami peningkatan sebesar 27,72 %, kadar lignin yang hilang terus mengalami peningkatan hingga waktu 216 jam. 0 20 40 60 80 100 120 0,5 1 2 5 24 48 168 216 Li gni n (% ) waktu (jam)
4 Grafik 2. Perbandingan antara Waktu dengan Kadar Glukosa yang Diperoleh
Kadar glukosa pada proses ini dapat diartikan yaitu menghitung banyaknya glukosa yang dihasilkan pada proses enzimatik. Berdasarkan gambar 4.1 grafik perbandingan antara waktu dengan kadar glukosa yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa : Pada waktu perendaman 0,5 jam dengan waktu 1 jam diperoleh kadar glukosa sebesar 260 mg/l, waktu 17 jam diperoleh kadar glukosa sebesar 142 mg/l, dan terjadi kenaikan kadar glukosa 7,04 % pada waktu 24 jam, 162 mg/l kadar glukosa yang diperoleh pada waktu 41 jam, dengan waktu 48 dan 72 jam terus mengalami kenaikan kadar glukosa sebesar 3,61 % dan 1,16 %. Kondisi ini terjadi pada semua perlakuan variasi waktu, sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin lama tahap sakarifikasi maka semakin besar kadar glukosa yang didapat, Kadar glukosa tertinggi dicapai pada waktu perendaman 216 jam dengan waktu sakarifikasi 72 jam sebesar 620 mg/l.
Kesimpulan
Proses penghilangan lignin yang paling optimal terjadi pada waktu perendaman 216 jam dengan persentase 97,22% dan semakin banyak lignin yang hilang pada proses delignifikasi maka semakin banyak pula
glukosa yang dihasilkan pada proses hidrolisis
Daftar Pustaka
Binod P., Sindhu R., Singhania R.R., Vikram S., Devi L., Nagalakshmi S., Kurien N., Sukumaran R.K., Pandey A. (2010) Bioethanol Production From Rice Straw: An Overview. Bioresource Technology 101:4767 - 4774.
Hsu T.-C., Guo G.-L., Chen W.-H., Hwang W.-S. (2010) Effect of Dilute Acid Pretreatment of Rice Straw on Structural Properties and Enzymatic Hydrolysis. Bioresource
Technology 101:4907 - 4913. Jung Y.H., Kim I.J., Kim J.J., Oh K.K.,
Han J.-I., Choi I.-G., Kim K.H. (2011) Ethanol Production from Oil Palm Trunks Treated with Aqueous Ammonia and Cellulase.
Bioresource Technology 102:7307 - 7312.
Kaar W.E., Holtzapple M.T. (2000) Using Lime Pretreatment to Facilitate The Enzymic Hydrolysis of Corn Stover. Biomass and Bioenergy 18:189 - 199.
Kim S., Holtzapple M.T. (2005) Lime Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis of Corn Stover.
Bioresource Technology 96:1994 - 2006.
Kim T.H., Lee Y.Y. (2006) Fractionation of Corn Stover by Hot-water and Aqueous Ammonia Treatment. Bioresource Technology 97:224 - 232.
Ko J.K., Bak J.S., Jung M.W., Lee H.J., Choi I.-G., Kim T.H., Kim K.H. (2009) Ethanol Production from Rice Straw Using Optimized Aqueous-ammonia Soaking Pretreatment and Simultaneous Saccharification and Fermentation
0 100 200 300 400 0 20 40 60 80 Gl u kosa ( m g/ d L) waktu (jam) 0,5 1 2 5 24 48 168 216
