PEMBUATAN BIOETANOL DARI ECENG GONDOK DENGAN
PROSES HIDROLISIS, FERMENTASI, DAN EKSTRAKSI
SECARA TERPADU
TESIS
Oleh
OKTA BANI
117022004/TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PEMBUATAN BIOETANOL DARI ECENG GONDOK DENGAN
PROSES HIDROLISIS, FERMENTASI, DAN EKSTRAKSI
SECARA TERPADU
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik
Pada Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
OKTA BANI
117022004/TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Dr. Ir. Taslim, M.Si Anggota : - Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si
ABSTRAK
Eceng gondok merupakan gulma air yang dianggap merusak dan susah diberantas. Salah satu cara pengendalian yang cukup menjanjikan adalah memanfaatkannya untuk produksi bioetanol. Penelitian terdahulu telah berhasil menghasilkan etanol dari eceng gondok, tetapi teknologi ini masih belum menguntungkan. Pemilihan tekonologi praperlakuan yang tepat dan produksi enzim secara on-site dianggap penting untuk menurunkan biaya produksi. Selain itu, penerapan proses daur-ulang dan ekstraksi secara simultan juga menjanjikan sebagai pengganti teknologi pemurnian yang banyak digunakan saat ini yaitu distilasi. Oleh karena itu, penelitian ini ditujukan untuk mengevaluasi kompatibilitas proses-proses tersebut dalam produksi bioetanol. Dalam penelitian ini, eceng gondok yang telah dihaluskan dihadapkan pada 4 jenis praperlakuan: dilute acid pretreatment (DAP), liquid hot
water (LHW), praperlakuan biologis, and tanpa praperlakuan. Kemudian, eceng
gondok dihidrolisis dengan campuran selulase dari Tricoderma reesei dan
Aspergillus niger, dan difermentasi dengan Saccharomyces cerevisiae dan Candida utilis. Kaldu fermentasi didaur-ulang langsung setelah penyaringan, dan biodiesel
sawit digunakan sebagai pengekstrak. Magnesium sulfat ditambahkan untuk meningkatkan kualitas proses. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan DAP, penambahan inokulum C. utilis dan magnesium sulfat, serta ekstraksi dengan biodiesel sawit memberikan hasil positif. Daur ulang kaldu meningkatkan kadar etanol yang dicapai, tetapi menurunkan yield etanol yang dihasilkan.
Kata kunci: Bioetanol, eceng gondok, produksi enzim secara on-site, ekstraksi, daur
ABSTRACT
Water hyacinth is an aquatic weed that is considered damaging and difficult to eradicate. One promising way to control it is by utilizing it for bioethanol production. Previous researches have successfully yielded ethanol from water hyacinth, but this technology is yet to be profitable. Correct choice of pretreatment and on-site enzyme production are considered important to cut the production cost. In addition, integration of recycling process along with simultaneous extraction seems promising as a substitute for existing purification technology (distillation). Therefore, this study aimed to evaluate compatibility of these processes in the production of bioethanol. In this study, pre-blended water hyacinth was subjected to 4 types of pretreatment: dilute acid pretreatment (DAP), liquid hot water (LHW), biological, and without pretreatment. Afterwards, water hyacinth was hydrolyzed by cellulase mixture from Tricoderma reesei and Aspergillus niger, and subsequently fermented by Saccharomyces cerevisiae and Candida utilis. Fermentation broth was directly recycled after filtration, and palm biodiesel was used as extractor. Magnesium sulfate was added to enhance the process. Result favors the use of DAP as pretreatment, addition of C. utilis inoculums and magnesium sulfate in fermentation broth, as well as extraction by palm biodiesel. Broth recycling increase ethanol level, but lowers ethanol yield.
Keywords: Bio ethanol, water hyacinth, onsite enzyme production, extraction,
KATA PENGANTAR
Puji syukur Penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya Penulis dapat menyelesaikan Tesis yang berjudul:
PEMBUATAN BIOETANOL DARI ECENG GONDOK DENGAN PROSES HIDROLISIS, FERMENTASI, DAN EKSTRAKSI SECARA TERPADU
Dalam penyusunan tesis ini, Penulis mendapatkan bimbingan serta bantuan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini juga, Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku Ketua Komisi Pembimbing dan Ketua Program Studi Magister Teknik Kimia yang telah memberikan bimbingan, arahan dan bantuan dalam penyusunan Tesis ini; Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Anggota Komisi Pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan dalam penyusunan Tesis ini; Ibu Dr. Ir. Iriany, M.Si atas kesediaannya sebagai penguji Tesis ini; Ibu Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hsb, MT atas kesediaannya sebagai penguji Tesis ini; Ibu Feni Amriani, ST, MT atas bantuannya selama penelitian; Lembaga Pengelolaan Dana Pendidikan (LPDP) yang telah mendanai penelitian ini; dan rekan-rekan di Magister Teknik Kimia USU serta seluruh pihak yang telah membantu dan memberi dukungan dalam penyelesaian Tesis ini.
Terima kasih sebesar-besarnya disampaikan secara khusus kepada kedua orang tua Penulis yang telah memberikan dukungan moral dan spiritual karena semua pencapaian Penulis adalah berkat keduanya.
Dalam penyusunan Tesis ini, Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu, Penulis sangat mengharapkan saran dan kritik dari pembaca yang bersifat konstruktif demi kesempurnaan penulisan ini. Akhir kata, Penulis mengucapkan terima kasih.
Medan, 24 Februari 2014 Penulis
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Medan pada tanggal 1 Nopember 1988, merupakan anak kedua dari tiga bersaudara dari pasangan Bapak Darmadi dan Ibu Jang King.
Pendidikan TK ditempuh di TK SUTOMO I MEDAN pada tahun 1992 - 1994, kemudian melanjutkan ke pendidikan sekolah dasar di SD SUTOMO I pada tahun 1994 – 2000, kemudian melanjutkan ke SLTP SUTOMO I pada tahun 2000 – 2003, dan SMA SUTOMO I pada tahun 2003 – 2006.
Pada tahun 2006 Penulis melanjutkan pendidikan di Program Sarjana Teknik Kimia di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan lulus pada tahun 2011. Setelah itu Penulis mengambil program Magister Teknik Kimia di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
DAFTAR ISI
Judul Halaman
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
RIWAYAT HIDUP ... v
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR TABEL ... xv
DAFTAR SINGKATAN ... xvii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang Penelitian ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 4
1.3. Tujuan Penelitian ... 5
1.4. Manfaat Penelitian ... 5
1.5. Lingkup Penelitian ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 8
2.1. Eceng Gondok dalam Produksi Bioetanol ... 8
2.2. Karakteristik dan Pola Perkembangbiakan Eceng Gondok ... 9
2.4. Danau Toba dan Masalah Eceng Gondok ... 13
2.5. Ulasan Teknologi Produksi Bioetanol ... 14
2.5.1. Metode Praperlakuan ... 16
2.5.2. Metode Hidrolisis ... 18
2.5.3. Fermentasi dan Skema Proses Terpadu ... 23
2.5.4. Strategi – Strategi yang Diterapkan untuk Meningkatkan Tiap Proses ... 24
2.6. Produksi Bioetanol dari Eceng Gondok dan Perkembangannya . 25 2.7. Komponen – Komponen dalam Produksi Bioetanol ... 26
2.7.1. Selulosa ... 26
2.7.2. Hemiselulosa ... 35
2.7.3. Lignin ... 36
2.7.4. Struktur Mikrofibril Lignoselulosa ... 37
2.8. Mikroorganisme dalam Produksi Bioetanol ... 38
2.8.1. Trichoderma reesei ... 38
2.8.2. Aspergillus niger ... 39
2.8.3. Saccharomyces cerevisiae ... 39
2.8.4. Candida utilis ... 39
2.8.5. Jamur Akar Putih... 40
2.9. Modifikasi Proses dalam Produksi Bioetanol ... 40
2.9.2. Co-Fermentasi Hemiselulosa ... 43
2.9.3. Sistem Fermentasi Non-Steril ... 43
2.9.4. Daur Ulang dalam Produksi Bioetanol ... 44
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 45
3.1. Lokasi Penelitian ... 45
3.2. Bahan dan Peralatan ... 45
3.3. Prosedur... 47
3.3.1. Prosedur Pembenihan Isolat... 48
3.3.2. Prosedur Persiapan Inokulum ... 49
3.3.3. Prosedur Persiapan Eceng Gondok ... 49
3.3.4. Prosedur Pembuatan Enzim ... 50
3.3.5. Prosedur Praperlakuan Eceng Gondok ... 50
3.3.6. Prosedur Fermentasi Eceng Gondok ... 52
3.3.7. Prosedur Daur Ulang Hidrolisat ... 52
3.3.8. Prosedur Analisis Densitas ... 53
3.3.9. Prosedur Analisis Viskositas ... 53
3.3.10. Prosedur Analisis pH ... 54
3.3.11. Prosedur Analisis Kadar Hemiselulosa, Selulosa dan Lignin ... 54
3.3.14. Prosedur Assay Enzim ... 56
3.3.15. Prosedur Analisis Kadar Etanol ... 57
3.4. Flowchart ... 59
3.4.1. Flowchart Pembenihan Isolat ... 59
3.4.2. Flowchart Persiapan Inokulum ... 60
3.4.3. Flowchart Persiapan Eceng Gondok ... 61
3.4.4. Flowchart Pembuatan Enzim ... 62
3.4.5. Flowchart Praperlakuan Eceng Gondok ... 63
3.4.6. Flowchart Fermentasi Eceng Gondok ... 64
3.4.7. Flowchart Daur Ulang Hidrolisat ... 66
3.4.8. Flowchart Analisis Densitas ... 68
3.4.9. Flowchart Analisis Viskositas... 69
3.4.10. Flowchart Analisis pH ... 70
3.4.11. Flowchart Analisis Kadar Hemiselulosa, Selulosa dan Lignin ... 71
3.4.12. Flowchart Analisis Kadar Air ... 74
3.4.13. Flowchart Analisis Kadar Gula ... 75
3.4.14. Flowchart Assay Enzim ... 76
3.4.15. Flowchart Analisis Kadar Etanol ... 77
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 78
4.2. Pengaruh Metode Praperlakuan pada Fermentasi ... 79
4.3. Pengaruh Kadar Magnesium Sulfat pada Fermentasi ... 81
4.4. Pengaruh Durasi Fermentasi pada Fermentasi ... 82
4.5. Pengaruh Pemilihan Mikroorganisme pada Fermentasi ... 83
4.6. Pengaruh Perbandingan Pelarut pada Fermentasi ... 85
4.7. Pengaruh Daur Ulang pada Fermentasi ... 87
4.8. Data Densitas dan Viskositas Kaldu Fermentasi dan Pelarut ... 89
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 92
5.1. Kesimpulan ... 92
5.2. Saran ... 93
DAFTAR PUSTAKA ... 95
LAMPIRAN A DATA PENELITIAN ... 105
A.1. Hasil Analisis Kadar Air Eceng Gondok ... 105
A.2. Hasil Analisis Kandungan Hemiselulosa-Selulosa-Lignin Eceng Gondok ... 105
A.3. Data dan Kurva Kalibrasi Larutan Etanol Standar ... 106
A.4. Data dan Kurva Kalibrasi Etanol-Biodiesel Sawit ... 106
A.5. Data Analisis GC Sampel ... 107
A.6. Data dan Kurva Kalibrasi Larutan Gula Standar ... 108
A.9. Data Densitas Pelarut ... 111
A.10. Data Viskositas Kaldu Fermentasi ... 112
A.11. Data Viskositas Pelarut ... 113
LAMPIRAN B IDENTITAS DATA ... 114
B.1. Identitas Data ... 114
LAMPIRAN C CONTOH PERHITUNGAN ... 115
C.1. Contoh Perhitungan Kadar Air ... 115
C.2. Contoh Perhitungan Aktivitas Enzim ... 115
C.3. Contoh Perhitungan Densitas Run 5 ... 115
C.4. Contoh Perhitungan Viskositas Sampel Run 5 ... 116
C.5. Contoh Perhitungan Total Etanol per 50 ml Run 22 (dalam g/L) ... 116
C.6. Contoh Perhitungan Yield Etanol Run 22 (tanpa daur ulang)... 117
C.7. Contoh Perhitungan Yield Etanol Run 23 (dengan daur ulang) .. 117
LAMPIRAN D DOKUMENTASI ... 118
D.1. Eceng Gondok ... 118
D.2. Isolat Mikroorganisme ... 118
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1. Spesies Eceng Gondok Umum ... 9
2.2. Tahapan dalam Produksi Bioetanol Secara Umum ... 15
2.3. Perubahan Struktur Mikro Akibat Praperlakuan ... 18
2.4. Aktivitas Enzim dalam Hidrolisis Selulosa ... 21
2.5. Berbagai Senyawa Turunan Hidrolisis Asam ... 22
2.6. Kiri: Unit Penyusun Selulosa, Selobiosa; Kanan: Fasa Selulosa Monoklinik Iα dan Triklinik Iβ ... 34
2.7. Ringkasan Informasi Struktural Selulosa ... 35
2.8. Representasi Struktur Hemiselulosa ... 36
2.9. Representasi Struktur Lignin dan Lignols ... 37
2.10. Matriks Selulosa – Hemiselulosa – Lignin ... 38
2.11. Ekstraksi Etanol dengan Minyak dan Turunannya ... 41
3.1. Flowchart Pembenihan Isolat ... 59
3.2. Flowchart Persiapan Inokulum ... 60
3.3. Flowchart Persiapan Eceng Gondok ... 61
3.4. Flowchart Pembuatan Enzim ... 62
3.5. Flowchart Praperlakuan Eceng Gondok ... 63
3.7. Flowchart Daur Ulang Hidrolisat ... 66
3.8. Flowchart Analisis Densitas ... 68
3.9. Flowchart Analisis Viskositas... 69
3.10. Flowchart Analisis pH ... 70
3.11. Flowchart Analisis Kadar Hemiselulosa, Selulosa dan Lignin ... 71
3.12. Flowchart Analisis Kadar Air ... 74
3.13. Flowchart Analisis Kadar Gula ... 75
3.14. Flowchart Assay Enzim ... 76
3.15. Flowchart Analisis Kadar Etanol ... 77
4.1. Perbandingan berbagai metode praperlakuan dalam fermentasi selama 24 jam dalam inkubator pada 20 oC ... 79
4.2. Pengaruh kadar magnesium pada fermentasi... 81
4.3. Endapan pada sampel sewaktu dianalisa dengan metode DNS ... 82
4.4. Pengaruh durasi fermentasi pada fermentasi ... 83
4.5. Pengaruh pemilihan mikroorganisme pada fermentasi ... 84
4.6. Pengaruh rasio pelarut pada fermentasi ... 86
4.7. Pengumpulan substrat di atas lapisan kaldu, baik disertai pelarut maupun tanpa pelarut ... 87
4.8. Pengaruh daur ulang pada fermentasi ... 88
4.10. Data viskositas kaldu fermentasi (kiri) dan pelarut (kanan) ... 91
A.1. Kurva Kalibrasi Larutan Etanol Standar ... 106
A.2. Kurva Kalibrasi Etanol-Biodiesel Sawit ... 107
A.3. Kurva Kalibrasi Larutan Gula Standar ... 109
D.1. Eceng Gondok ... 118
D.2. Isolat Aspergillus niger ... 118
D.3. Isolat Trichoderma reesei ... 119
D.4. Isolat Candida utilis ... 119
D.5. Isolat Ganoderma boninense ... 119
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
1.1. Ringkasan Penelitian Terdahulu ... 2
2.1. Kandungan Hemiselulosa, Selulosa dan Lignin Eceng Gondok (basis kering) ... 12
2.2. Berbagai Metode Praperlakuan ... 19
2.3. Skema Proses Terpadu dalam Produksi Bioetanol... 24
2.4. Berbagai Penelitian mengenai Bioetanol dari Eceng Gondok ... 27
4.1. Rangkuman Hasil Analisis Kondisi Awal ... 78
A.1. Hasil Analisis Kadar Air Batang Eceng Gondok ... 105
A.2. Hasil Analisis Kadar Air Daun Eceng Gondok ... 105
A.3. Hasil Analisis Kadar Air Bubur Eceng Gondok ... 105
A.4. Hasil Analisis Kandungan Hemiselulosa-Selulosa-Lignin Eceng Gondok ... 105
A.5. Data Kurva Kalibrasi Larutan Etanol Standar ... 106
A.6. Data Kurva Kalibrasi Etanol-Biodiesel Sawit ... 106
A.7. Data Analisis GC Sampel ... 107
A.8. Data Kurva Kalibrasi Larutan Gula Standar (λ = 540 nm) ... 108
A.9. Data Analisis Spektrofotometer Enzim ... 109
A.11. Data Densitas Kaldu Fermentasi ... 110
A.12. Data Densitas Pelarut ... 111
A.13. Data Viskositas Kaldu Fermentasi ... 112
A.14. Data Viskositas Pelarut ... 113
DAFTAR SINGKATAN
DAP : Dilute Acid PretreatmentLHW : Liquid Hot Water HMF : Hidroksimetil Furfural
SHF : Separated Hydrolysis and Fermentation
SSF : Simultaneous Saccharification and Fermentation
HHF : Hybird Hydrolysis and Fermentation
SSCF : Simultaneous Saccharification and Cofermentation CBP : Consolidated Bioprocessing
DMC : Direct Microbial Conversion PEG : Polietilen glikol
BSA : Bovine serum albumin
CG : Crude glycerol
IL : Ionic Liquid
IU : International Unit
FPU : Filter Paper Unit
FDA : Food and Drug Administration CMC : Karboksimetil selulosa
DNS : Dinitro salisilat PDA : Potato dextrose agar
