BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Penelitian
Tumbuhnya eceng gondok dalam suatu ekosistem dapat menyebabkan
penurunan kualitas lingkungan ekosistem tersebut. Di beberapa danau di dunia,
seperti Danau Victoria, Danau Toba dan danau lain, eceng gondok tumbuh
melampaui spesies alami, sehingga mengurangi biodiversitas ekosistem tersebut
(Moedjojo et al. 2006; Rutashobya, 1996 dalam Katima, 2001). Eceng gondok
mampu memurnikan suatu badan air tetapi ketika tumbuh di luar kendali, tumbuhan
ini menyebabkan banyak masalah (Flacker, 2004; Jafari, 2010; Mahamadi, 2011).
Karena usaha mengontrol populasi eceng gondok telah mengalami banyak
kegagalan, studi baru-baru ini lebih ditekankan pada pemanfaatannya (Abdel-sabour,
2010; Malik, 2007). Salah satu pemanfaatan yang ramah lingkungan adalah dengan
mengubah eceng gondok ke etanol (Mukhopadhyay dan Chatterjee, 2010).
Penelitian-penelitian terdahulu mengenai produksi bioetanol dari eceng gondok
beserta penelitian lain yang dijadikan sebagai acuan dalam modifikasi proses,
diringkas dalam Tabel 1.1.
Dari penelitian-penelitian yang telah dilakukan, alur proses secara umum
meliputi praperlakuan (pretreatment) dengan/tanpa detoksifikasi, diikuti hidrolisis
Fermentation) ataupun bersamaan seperti Simultaneous Saccharification and
Fermentation / Simultaneous Saccharification, Co-Fermentation and Fermentation /
Consolidated BioProcessing).
Tabel 1.1. Ringkasan Penelitian Terdahulu Lingkup studi Peneliti Hasil
Metode dan
Tiap metode praperlakuan memiliki kelemahan dan kekurangan masing-masing. Praperlakuan yang lebih intensif biasanya memungkinkan konversi selulosa yang lebih tinggi dan lebih cepat, namun menyebabkan terbentuknya inhibitor.
Praperlakuan yang terlalu lama dianggap tidak efektif dan menyebabkan degradasi gula.
Terdapat literatur yang menyebutkan bahwa penggilingan saja merupakan praperlakuan yang memadai.
Dari berbagai metode yang pernah dicoba, hanya praperlakuan biologis dengan jamur akar putih yang tidak menghasilkan inhibitor.
Jenis, rasio dan
Penggunaan campuran enzim selulase memberikan efek sinergis. Semakin tinggi konsentrasi enzim, konversi yang lebih tinggi dan lebih cepat diperoleh.
Akan tetapi, dalam banyak studi disampaikan bahwa peningkatan hasil tidak sebanding dengan biaya tambahannya.
Selain selulase, penggunaan jenis enzim lain seperti pektinase, hemiselulase, arabinose, ligninase, dan xilanase juga memberikan kontribusi positif dalam produksi bioetanol. Loading
Tabel 1.1. Ringkasan Penelitian Terdahulu Lingkup studi Peneliti Hasil
Mikroba
Beragam strain dan spesies ragi dan bakteri telah dicoba. Parameter utama perbandingan biasanya adalah yield etanol yang dicapai masing-masing organisme. Strain baru dan rekombinan masih terus diisolasi dan dikembangkan.
Penggunaan
Penggunaan surfaktan mengurangi ikatan non efektif selulase pada lignin sehingga mengurangi konsumsi enzim.
Mode proses yang menggabungkan fermentasi dan hidrolisis memberikan hasil yang lebih baik.
Ekstraksi etanol Offeman et al. 2010; 2008; 2006
Stang et al. 2001 Kim et al. 1999 Munson dan King, 1984
Berbagai jenis pelarut diuji. Tiap pelarut memberikan harga koefisien distribusi dan faktor separasi yang sangat beragam. Beberapa karakteristik pelarut menentukan toksisitas pelarut. Penerapan ekstraksi simultan meningkatkan produksi bioetanol.
Peningkatan toleransi ragi
Hu et al. 2003 Ion Mg2+ mengurangi permeabilitas membran plasma dan meningkatkan toleransi etanol ragi. Fermentasi
non-steril (bioetanol / non-eceng gondok)
Larsen, 2012 Pada konsentrasi yang tidak terlalu tinggi, efek inhibisi dari inhibitor dalam larutan fermentasi tidak terlalu mengganggu ragi, tetapi sangat menghambat pertumbuhan bakteri asam laktat
Pergeseran kesetimbangan cair-cair akibat penambahan garam
Ghalami- Choobar et al. 2011
Palei, 2010
Garam menggeser alkohol dari air ke solven hidrofobik. Heterogenitas dan zona separasi juga meningkat.
Kebanyakan penelitian-penelitian tersebut berfokus pada evaluasi metode
proses, pengembangan mikroba fermentasi, ataupun optimisasi kondisi operasi.
Perkembangan aspek-aspek tersebut sangat dipengaruhi rekayasa genetika dimana
mikroorganisme rekombinan dan enzim-enzim chimera telah dikembangkan.
Sementara aspek-aspek tersebut terus berkembang pesat, aspek-aspek lain seperti
pemurnian etanol, peluang daur ulang total proses, dan peluang fermentasi non-steril
yang dapat mempengaruhi biaya operasi tampaknya masih kurang diteliti. Oleh
karena itulah, penelitian ini lebih diarahkan pada aspek-aspek tersebut dengan
mengadaptasikan beberapa modifikasi dalam produksi bioetanol dari eceng gondok.
Adapun modifikasi yang dimaksud meliputi:
1. Penggunaan produksi enzim on-site,
2. Perlakuan hidrolisis, fermentasi, dan ekstraksi secara simultan,
3. Penambahan magnesium sulfat (mempengaruhi fermentasi dan ekstraksi),
4. Penerapan daur ulang hidrolisat fermentasi, dan
5. Dilangsungkannya daur ulang fermentasi secara non-steril.
1.2. Perumusan Masalah
Permasalahan utama dalam penelitian ini adalah merumuskan suatu konsep
produksi bioetanol dari eceng gondok yang aman, ekonomis, sederhana, dan ramah
lingkungan sehingga dapat diaplikasikan ke masyarakat yang berdomisili di daerah
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah:
1. Mendesainkan suatu alur proses produksi etanol yang aman, ekonomis,
sederhana dan ramah lingkungan dari eceng gondok,
2. Mengevaluasi keberhasilan penerapan metode fermentasi non-steril, ekstraksi
in-situ dan sistem daur ulang dalam proses fermentasi,
3. Mengidentifikasi kendala dan faktor yang mempengaruhi proses produksi
bioetanol akibat modifikasi tersebut, dan
4. Mencoba memecahkan masalah-masalah terkait kendala-kendala tersebut.
1.4. Manfaat Penelitian
Secara umum, penelitian ini akan memberikan informasi mengenai produksi
bioetanol dari eceng gondok, terutama dari sisi modifikasi prosesnya. Jika penelitian
berhasil, maka hasilnya akan membantu mengatasi salah satu masalah utama
lingkungan di Danau Toba, dan meningkatkan perekonomian daerah tersebut.
1.5. Lingkup Penelitian
Penelitian ini difokuskan pada trial integrasi metode ekstraksi in-situ secara
simultan ke fermentasi hidrolisat eceng gondok non-steril dan analisis variable
terkait seperti perbandingan pelarut dan kaldu, pengujian teknik-teknik daur ulang
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Mikrobiologi Farmasi, Fakultas
Farmasi, Universitas Sumatera Utara, Medan. Bahan-bahan utama yang digunakan
antara lain eceng gondok, ekstrak enzim selulase kasar, magnesium sulfat hepta
hidrat, asam sulfat, natrium hidroksida dan biodiesel sawit. Organisme yang
digunakan dalam penelitian ini adalah ragi Saccharomyces cerevisiae, ragi Candida
utilis, jamur Trichoderma reesei, jamur Aspergillus niger, dan jamur akar putih /
Ganoderma boninense. Peralatan utama dalam penelitian ini adalah autoklaf,
inkubator, sentrifugator, lemari aseptik, oven, freezer, spektrofotometer, GC,
pHmeter, viskometer Oswald, piknometer, refluks kondensor, vial, dan cuvet.
Variabel yang diuji dalam penelitian ini meliputi:
1. Metode praperlakuan (pretreatment):
a. Tanpa praperlakuan (sterilisasi),
b. Dilute Acid Pretreatment (DAP),
c. Liquid Hot Water (LHW), dan
d. Praperlakuan biologis dengan jamur akar putih.
2. Konsentrasi magnesium sulfat(mM) : 0, 25, 50, 75, dan 100
3. Lama fermentasi : 1, 2, dan 4 hari
4. Mikroorganisme fermentasi: Saccharomyces cerevisiae, dan Candida utilis
5. Perbandingan pelarut terhadap kaldu: 0; 0,4; 0,5; 0,66; 1
Variabel diuji dengan memvariasikan hanya 1 jenis variabel pada satu kondisi
tetap. Kondisi tetap yang digunakan adalah kondisi dengan variabel yang ditetapkan
di awal apabila kondisi terbaik belum diketahui atau kondisi terbaik bila sudah
diketahui, yaitu konsentrasi magnesium sulfat 0 mM, fermentasi 1 hari, monokultur
Saccharomyces cerevisiae, volum pelarut 0 ml, dan persentase daur ulang 0%.
Parameter yang diukur adalah kadar hemiselulosa, kadar selulosa, kadar lignin,
aktivitas enzim, kadar gula tereduksi, kadar etanol, kadar air, pH, densitas, dan
viskositas. Kadar hemiselulosa, selulosa, dan lignin dianalisis dengan metode
Chesson, aktivitas enzim dianalisis dengan assay CMC, kadar gula tereduksi
dianalisis dengan metode DNS, kadar etanol diukur menggunakan GC dengan
metode static head space, kadar air diukur secara gravimetri, pH diukur
menggunakan pHmeter, densitas diukur menggunakan piknometer, dan viskositas
diukur menggunakan viskometer. Sampel yang tidak dianalisis langsung disimpan
