BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Jerami Padi
Produksi padi dunia menempati urutan ketiga dari semua serealia, setelah jagung dan gandum. Namun demikian, padi merupakan sumber karbohidrat utama bagi mayoritas penduduk dunia. Adapun ciri – ciri umum dari padi adalah sebagai berikut : Padi termasuk dalam suku padi-padian atau poaceae ( graminae atau
glumiflorae). Berakar serabut, batang sangat pendek, struktur serupa batang
terbentuk dari rangkaian pelepah daun yang saling menopang daun sempurna dengan pelepah tegak, daun berbentuk lanset, warna hijau muda hingga hijau tua, berurat daun sejajar, tertutupi oleh rambut yang pendek dan jarang, bagian bunga tersusun majemuk, tipe malai bercabang,satuan bunga disebut floret yang terletak pada satu spikelet yang duduk pada panikula, tipe buah bulir atau kariopsis yang tidak dapat dibedakan mana buah dan bijinya, bentuk hampir bulat hingga lonjong, ukuran 3 mm hingga 15 mm, tertutup oleh palea dan lemma yang dalam bahasa sehari-hari disebut sekam, struktur dominan padi yang biasa dikonsuksi yaitu jenis enduspermium
Indonesia dikenal sebagai salah satu negara agraris yang subur. Negara agraris adalah negara yang sebagian besar penduduknya mempunyai mata pencaharian sebagai petani. Indonesia yang terkenal sebagai negara yang mempunyai wilayah yang luas, mempunyai potensi di bidang pertanian. Salah satunya adalah pertanian padi. Sepanjang tahun produksi padi menghasilkan limbah berupa jerami padi dalam jumlah yang besar. Jerami padi biasa dimanfaatkan sebagai pakan ternak dan bahan kompos. Namun ada juga yang hanya membakar jerami padi pada areal persawahannya. Jerami padi juga dapat dimanfaatkan sebagai substrat industri dengan mencampurkannya dengan bahan lain sesuai produk yang ingin di hasilkan. Produktivitas pertanian tanaman pangan di Indonesia setiap tahunnya menghasilkan jumlah yang cukup besar. Menurut FAO (2005), Indonesia merupakan produsen padi ketiga terbesar di dunia yaitu sebesar 9% dari total produksi dunia setelah China (31%) dan India (9%). Namun, tanaman pangan di Indonesia selalu membawa hasil samping atau limbah pertanian hingga mencapai jutaan ton setiap tahunnya.
Limbah pertanian ini terdiri atas jerami padi, daun jagung, batang jagung, daun kedelai dan lain sebagainya.
Jerami padi merupakan limbah pertanian terbesar di Indonesia. Jumlahnya sekitar 20 juta per tahun. Menurut data BPS tahun 2006, luas sawah di Indonesia adalah 11,9 juta ha. Produksi per hektar sawah bisa mencapai 12-15 ton bahan kering setiap kali panen, tergantung lokasi dan varietas tanaman. Sejauh ini, pemanfaatan jerami padi sebagai pakan ternak baru mencapai 31-39 %, sedangkan yang dibakar atau dimanfaatkan sebagai pupuk 36-62 %, dan sekitar 7-16 % digunakan untuk keperluan industri (safan, 2008). Jerami padi merupakan bagian dari batang padi tanpa akar yang tertinggal setelah diambil butir buahnya. Peningkatan produksi padi juga diiringi peningkatan limbah jerami padi.
Banyaknya jerami padi yang belum dimanfaatkan secara optimal mendorong para peneliti mengembangkan potensi jerami padi menjadi sesuatu yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Berikut ini adalah komponen yang ada dalam jerami padi :
- Selulosa 39 % - Hemiselulosa 27 % - Lignin 12 % - Abu 11 %
Selulosa adalah polimer yang tersusun atas unit-unit glukosa melalui ikatan α-1,4-glikosida. Bentuk polimer ini memungkinkan selulosa saling menumpuk / terikat menjadi bentuk serat yang sangat kuat. Panjang molekul selulosa ditentukan oleh jumlah unit 4 glucan di dalam polimer, disebut dengan derajat polimerisasi. Derajat polimerisasi selulosa tergantung pada jenis tanaman dan umumnya dalam kisaran 200-27.000 unit glukosa. Selulosa dapat dihidrolisis menjadi glukosa dengan menggunakan asam atau enzim (safan, 2008).
Hemiselulosa mirip dengan selulosa, namun tersusun dari bermacam-macam jenis gula. Monomer gula penyusun hemiselulosa terdiri dari monomer gula berkarbon 5 (C-5) dan 6 (C-6), seperti : xylosa, mannose, glukosa, galaktosa, arabinosa, dan sejumlah kecil rhamnosa, asam glukoroat, asam metal glukoroat, dan asam galaturonat (safan.wordpress.com, 2008). Sedangkan lignin adalah molekul kompleks yang tersusun dari unit phenylphropane yang terikat di dalam struktur tiga
dimensi. Lignin adalah material yang paling kuat dalam biomassa, namun sangat resisten terhadap degradasi, baik secara biologi, enzimatis, maupun kimia. Karena kandungan karbon yang relatif tinggi dibandingkan denga selulosa dan hemiselulosa lignin memiliki kandungan energi yang tinggi (safan, 2008).
Lignin merupakan salah satu bagian yang berbentuk kayu dari tanaman seperti janggel, kulit keras, biji, bagian serabut kasar, akar, batang dan daun. Lignin mengandung substansi yang kompleks dan merupakan suatu gabungan beberapa senyawa yaitu karbon, hidrogen dan oksigen. Selain lignin, bagian yang lain dari jerami adalah selulosa. Selulosa merupakan polisakarida yang didalamnya mengandung zat - zat gula (Hari Hartadi, 1983).
Secara alami lignin berwarna coklat. Kalau jerami berubah warna menjadi agak putih, berarti ada sebagian lignin yang hilang. Lignin membuat jerami jadi keras dan liat. Kalau jerami menjadi lebih lunak dari jerami aslinya, berarti pelindung ligninnya sudah mulai rusak.
2.1.1 Pemanfaatan Jerami Padi
Pemanfaatan substrat jerami padi sebagai media fermentasi yang banyak mengandung selulosa untuk pertumbuhaan mikroorganisme memiliki prospek yang cerah di masa yang akan datang, karena memberikan alternatif biaya yang lebih murah jika dibandingkan dengan pembuatan enzim dengan menggunakan bahan-bahan kimia sintetik sebagai media pertumbuhan mikroorganisme. Produksi enzim selulase dengan menggunakan substrat jerami padi yang mengandung selulosa ini juga akan menghasilkan produk-produk lain yang berguna bagi manusia seperti glukosa, etanol, protein sel tunggal dan lain-lain (Darwis dan Sukara, 1990).
Enzim selulase sendiri sangat penting perannya dalam hidrolisis selulosa untuk menghasilkan glukosa, yang laku dipasaran dan dibutuhkan untuk berbagai keperluan baik untuk keperluan pembuatan zat-zat kimia yang lain yang bernilai ekonomis lebih tinggi seperti etanol, aseton, dan asam-asam organik, maupun digunakan sebagai sumber karbon pengusahaan mikroba untuk produksi enzim dan antibiotik (Gunam; 1997: Wyk et al, 2003; Gunam et al, 2004).
Jerami padi yang merupakan limbah pertanian memiliki kandungan selulosa cukup tinggi (Juliano, 1985). Memungkinkan untuk dimanfaatkan sebagai media pertumbuhan mikroorganisme untuk memproduksi enzim selulase. Sejauh ini, konsentrasi substrat jerami padi yang dibutuhkan untuk produksi enzim selulase yang optimal dari mikroorganisme pada fermentasi dengan menggunakan media dari serbuk jerami padi belum diketahui secara pasti. Pembuatan enzim selulase dari limbah jerami padi sebagai substrat dengan menggunakan mikroorganisme sebagai penghasil enzim, selain mudah dibiakan, mikroorganisme juga mempunyai kecepatan tumbuh yang tinggi dan mudah dikontrol pertumbuhannya (Reed, 1975).
Jenis fungi yang biasa digunakan dalam produksi selulase antara lain sebagai berikut: Aspergillus niger, Aspergillus fumigates, Aspergillus nidulans, Neurospora
sitophila, Tricoderma viride, Tricoderma longibrachiatum, dan Saccharomyces cerevisiae. Sedangkan bakteri yang bisa menghasilkan selulase adalah Pseudomonas, Cellulomonas, Bacillus, Micrococcus, Cellovibrio, dan Sporosphytophaga.
2.2 Etanol
Etanol disebut juga etil alkohol, alkohol murni, alkohol absolut, atau alkohol saja, adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tak berwarna, dan merupakan alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Senyawa ini merupakan obat psikoaktif dan dapat ditemukan pada minuman beralkohol dan termometer modern. Etanol adalah salah satu obat rekreasi yang paling tua.
Etanol termasuk ke dalam alkohol rantai tunggal, dengan rumus kimia
C2H5OH dan rumus empiris C2H6O. Ia merupakan isomer konstitusional dari dimetil
eter. Etanol sering disingkat menjadi EtOH, dengan "Et" merupakan singkatan dari gugus etil (C2H5).
Fermentasi gula menjadi etanol merupakan salah satu reaksi organik paling awal yang pernah dilakukan manusia. Efek dari konsumsi etanol yang memabukkan juga telah diketahui sejak dulu. Pada zaman modern, etanol yang ditujukan untuk kegunaan industri dihasilkan dari produk sampingan pengilangan minyak bumi (Anonim,2012 b).
a. Sifat fisika
1. Rumus molekul : C2H5OH
2. Massa molar : 46,07 g/mol
3. Penampilan : cairan tak berwarna
4. Densitas : 0,789 g/cm3
5. Titik lebur : -114,3
6. Titik didih :78,4
7. Kelarutan dalam air : tercampur penuh
8. Keasaman ( pKa ) : 15,9
9. Viskositas : 1,200 cp ( 20°C)
10. Faktor kompresibilitas kritis : 0,248
11. Panas penguapan pada titik didih normal : 839,31 J/g
12. Tekanan kritis : 6383,48 kpa
13. Panas pembakaran : 29676,69 J/g ( Kirk & Othmer,1989)
b. Sifat kimia
1. Dapat bereaksi dengan metal seperti natrium, kalium dan kalium untuk membentuk metal etoksid (ethylate)
2C2H5OH + 2M 2C2H5OM + H2
2. Dengan penambahan asetilena akan membentuk etyl vinyl eter C2H5OH + HC CH C2H5OHC CH2
3. Dengan penambahan katalis etill alcohol pada asetilena akan menghasilkan asetal
2C2H5OH + RCHO RCH(OCH2CH3)2 + H2O
4. Dehidrasi pada etanol
C2H5OH CH2 CH2 + H2O
2C2H5OH C2H5OCH2CH3 + H2O
5. Ptoses dehidrogenasi etanol
2.3 Pembuatan Bioetanol
Bioetanol adalah etanol yang berasal dari sumber hayati. Bioetanol bersumber dari karbohidrat yang potensial sebagai bahan baku seperti tebu, nira sorgum, ubi kayu, garut, ubi jalar, sagu, jagung: jerami, bonggol jagung dan kayu. Setelah melalui proses fermentasi, dihasilkan etanol (www.energi.lipi.go.id).
Etanol adalah senyawa organik yang terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen, sehingga dapat dilihat sebagai derivat senyawa hidrokarbon yang
mempunyai gugus hidroksil dengan rumus C2H5OH.
Etanol merupakan zat cair, tidak berwarna, berbau spesifik, mudah terbakar dan menguap, dapat bercampur dalam air dengan segala perbandingan.
a. Sifat - sifat fisik etanol
Rumus molekul : C2H5OH
BM : 46,07 gram/mol
Titik didih pada 760 mmHg : 78,4°C
Titik beku : - 112°C
Densitas : 0, 789 gr/ml pada 20°C
Kelarutan dalam 100 bagian
air : sangat larut
eter : sangat larut (Perry, 1984).
b. Sifat kimia
1. Dihasilkan dari fermentasi glukosa C6H12O6→ 2 C2H5OH + 2 CO2
( Glukosa ) ( etanol ) ( karbondioksida )
2. Untuk minuman diperoleh dari peragian karbohidrat, ada dua tipe yaitu tipe pertama mengubah karbohidratnya raenjadi glukosa kemudian menjadi etanol, tipe yang lain menghasilkan cuka (asam asetat).
3. Pembentukan etanol
C6H12O6 ENZIM 2CH3CH2OH + 2CO2
4. Pembakaran etanol
CH3CH2OH + 3O2 2CO2 + 3H2O + energi
(Fessenden,1982)
Jerami padi merupakan limbah pertanian yang mengandung polisakarida dalam bentuk selulosa, hemiselulosa, pektin dan lignin (Howard dkk., 2003 dalam Mustika, 2008). Komponen polisakarida tersebut dapat diuraikan melalui proses degradasi atau fermentasi dengan menggunakan aktifitas mikroba potensial seperti kapang Trichoderma viride untuk menghasilkan gula dan selanjutnya khamir Saccharomycess cerevisiae untuk produksi etanol (Mustika, 2008). Etanol dapat dihasilkan dari jerami padi dan alang-alang melalui proses fermentasi secara bertahap (tahap 1 fermentasi gula dengan menggunakan kapang T. viride dan tahap 2 fermentasi etanol dengan menggunakan khamir S. cerevisiae).
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Mustika, 2008 kadar gula sederhana yang dihasilkan secara fermentasi oleh kapang T. Viride cukup tinggi pada substrat jerami padi. Jerami padi memiliki potensi sebagai substrat dalam fermentasi etanol. Kadar etanol tertinggi yang dihasilkan secara fermentasi oleh khamir S. Cerevisiae pada jerami padi adalah sebesar 0,77% (Mustika, 2008).
Sifat - sifat fisik etanol :
Rumus molekul : C2H5OH
BM : 46,07 gram/mol
Titik didih pada 760 mmHg : 78,4°C
Titik beku : - 112°C
2.3.1 Deskripsi Proses Pembuatan Bioetanol Dari Jerami Padi
Pada dasarnya proses pembuatan bioetanol dari jerami padi melalui beberapa tahap yaitu proses delignifikasi, hidrolisis, fermentasi dan destilasi. Proses
pembuatan serbuk jerami sendiri dengan cara penghancuran jerami yaitu diblender sampai hasilnya halus kemudian diayak.
Delignifikasi bertujuan untuk menghilangkan lignin dari jerami. Pada proses
ini digunakan larutan H2SO4. Proses pembuatan glukosa dari jerami dilakukan
dengan cara hidrolisis secara kimia dengan menggunakan larutan HCl sebagai penghidrolisis dan katalisator. Supaya pH yang diperoleh sesuai dengan kondisi untuk fermentasi maka hasil hidrolisa ditambah dengan HCl. Fermentasi dilakukan dengan variasi lama waktu fermentasi dan variasi konsentrasi starter. Berikut tahapan proses pembuatan bioetanol dari jerami padi.
Pembuatan bioetanol dari jerami dilakukan melalui proses persiapan bahan baku, fermentasi dan pemurnian (destilasi).
2.3.1.1 Persiapan bahan baku
Persiapan bahan baku dilakukan untuk mendapatkan glukosa. Glukosa diperoleh melalui 2 tahap yaitu delignifikasi dan hidrolisis. Pada tahap delignifikasi akan menghasilkan selulosa. Selulosa akan diproses lebih lanjut dengan proses hidrolisa sehingga akan dihasilkan glukosa.
1. Delignifikasi
Sebelum diproses, bahan baku berupa jerami padi sebelumnya diperkecil ukurannya dengan menggunakan crusher ( CR-113) hingga ukuran 0,1 mm. Kemudian di alirkan menuju tangki berpengaduk ( MT-118) dengan menggunakan
conveyor ( C-115). Asam sulfat yang sudah di encerkan hingga 70% dengan
penambahan air dan direaksikan pada suhu 40°C selama 1 jam di alirkan ke dalam tangki berpengaduk (MT-118) yang berfungsi untuk memisahkan selulosa dan hemiselulosa yang terikat pada lignin. Selanjutnya campuran dialirkan menuju reaktor hidrolisis (R-211).
Reaksi yang terjadi pada tangki berpengaduk (MT-118). (C5H8O4)n + n H2O nC6H10O5
2. Hidrolisis
Campuran dari tangki berpengaduk 1 (MT-118) di pompakan menuju reaktor hidrolisa (R-211). Kemudian direaksikan pada suhu 100°C dan tekanan 1 atm dalam waktu 1 jam yang berfungsi untuk memecahkan selulosa menjadi glukosa.
Reaksi yang terjadi pada reaktor berpengaduk (R-211).
(C6H10O5)n + n(H2O) n(C6H12O6)
( Selulosa ) ( Air ) ( Glukosa )
Konversi reaksi selulosa menjadi glukosa adalah 86% ( C.N.Hamelinck et.al,2005) Setelah reaksi selesai, campuran dialirkan menuju cooler (E-212) untuk
didinginkan menjadi 300C. Setelah mencapai suhu tersebut, campuran dialirkan lagi
menuju filter press I (FP-214) untuk memisahkan fraksi padat dan fraksi cair. Sedangkan larutan gula yang bersifat non-elektrolit tidak akan terikat oleh resin. Sehingga larutan gula dan asam pun akan terpisah. Asam sulfat yang dipisahkan ini kemudian dipekatkan dan selanjutnya digunakan kembali. Sedangkan larutan gula kemudian dipompakan menuju mixer (M-219) untuk dicampurkan dengan urea
((NH2)2CO) dari tangki penyimpanan urea (T-218). Adapun proses ini bertujuan
untuk menetralkan atau mereaksikan asam yang bersisa dengan urea sehingga larutan
gula bebas dari asam. Proses ini menghasilkan gipsum (CaSO4) sebagai produk
samping. Campuran kemudian dialirkan menuju ke centrifuge (FF-311) untuk memisahkan gipsum dengan cairan.
3. Fermentasi
Setelah reaksi pada reaktor hidrolisa (R-211) selesai, campuran dialirkan menuju reaktor fermentasi (R-318), Dengan menggunakan mikroba yang berfungsi sebagai katalis dan membantu proses fermentasi anaerob pada suhu 27,5°C dan tekanan 1 atm dan waktu proses fermentasi berlangsung selama 36 jam. Fermentor
yang dimasukkan mikroba Saccharomyces cerevisiae dan nutrisi berupa H3PO4 dari
tangki penyimpanan ( T-315) dan ragi dari tangki penyimpanan (T-317).
C6H12O6 + Saccharomyces cereviseae 2 C2H5OH + 2 CO2 + Biomassa ( Gula sederhana ) + (ragi) alkohol + karbondioksida
4. Destilasi
Hasil fermentasi kemudian dialirkan ke tangki penyimpanan hasil fermentasi ( T-320). lalu dilewatkan menuju filter press II ( FP-322) untuk memisahkan fraksi padat dan fraksi cair. Selanjutnya campuran etanol dan air yang sudah terpisah dari gula akan dipompakan lagi menuju membran ultrafiltrasi (UF-326) untuk memisahkan gula dengan etanol berdasarkan perbedaan ukuran partikel. Selanjutnya campuran etanol dan air yang sudah terpisah dipompakan menuju menara destilasi (MD-412) untuk memisahkan antara etanol dan air. Menara destilasi dapat menghasilkan etanol dengan kadar 96,5% (kondisi azeotrop). Selanjutnya campuran etanol dan air kemudian akan di pompakan lagi menuju membran pervaporasi( PV-420) yang kemudian dapat memurnikan etanol hingga 99,8%. Bioetanol dengan kadar 99,8% ini kemudian di dinginkan menggunakan cooler (E-422) hingga suhu 30°C dan kemudian disimpan dalam tangki penyimpanan bioetanol ( T-424).
