i
KINETIKA REAKSI HIDROLISIS
PADA PROSES PEMBUATAN BIOETANOL
DARI AMPAS TEBU DENGAN KATALIS ASAM
SULFAT
Skripsi
diajukan sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Kimia
Oleh
Fitriyatun Nur Jannah NIM. 5213412006
Noor Kholifah NIM. 5213412013
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
vi ABSTRAK
Fitriyatun Nur Jannah dan Noor Kholifah Tahun 2016
Kinetika Reaksi Hidrolisis pada Proses Pembuatan Bioetanol dari Ampas Tebu dengan Katalis Asam Sulfat
Pembimbing : Prima Astuti Handayani, S. T., M. T.
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang
Ampas tebu merupakan limbah lignoselulosa yang masih terbatas pemanfaatannya. Ampas tebu mengandung selulosa sebesar 50%. Kebutuhan akan bahan bakar yang terus meningkat membuat persediaan bahan bakar fosil khususnya Indonesia semakin berkurang sehingga perlu adanya penelitian mengenai energi alternatif diantaranya bioetanol. Ampas tebu dapat dimanfaatkan menjadi bioetanol. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh suhu, konsentrasi katalis asam sulfat dan waktu reaksi terhadap yield glukosa yang dihasilkan melalui proses hidrolisis dengan metode Lane Eynon serta memperoleh model kinetika reaksi dan konstanta kecepatan reaksi hidrolisis dengan metode Runge-Kutta.
Bioetanol dibuat melalui proses hidrolisis, fermentasi dan distilasi. Ampas tebu sebanyak 10 g dihidrolisis menggunakan larutan H2SO4 (1M, 1,5M, 2M, 2,5M dan 3M) dengan perbandingan 1:25(b/v) pada suhu (700C, 800C, 900C dan 1000C) selama 2,5 jam dan diaduk dengan kecepatan pengaduk 950 rpm. Hidrolisat dilakukan uji kadar glukosa pada waktu reaksi hidrolisis (30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit dan 150 menit). Selanjutnya hidrolisat dilakukan proses fermentasi dan distilasi.
Hasil percobaan diperoleh yield glukosa tertinggi pada konsentasi 2,5 M suhu 1000C waktu reaksi selama 120 menit sebesar 62,92%. Pemodelan kinetika reaksi terjadi pada orde satu dengan nilai konstanta reaksi k = 186,79 exp-3.760,31/T dan Energi Aktivasi sebesar 31,263 kJ/mol.
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Ampas tebu merupakan limbah pabrik gula dan salah satu bahan
lignoselulosa yang masih terbatas pemanfaatannya. Ampas tebu
dimanfaatkan oleh pabrik gula sebagai bahan bakar boiler untuk penggerak
turbin yang mana merupakan penyedia listrik yang utama untuk
kelangsungan proses di Pabrik. Ampas tebu terdiri atas tiga komponen
utama, yaitu selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Berdasarkan data dari Pusat
Penelitian Perkebunan Gula Indonesia (P3GI), ampas tebu yang dihasilkan
di Pabrik Gula sebanyak 32% dari berat tebu yang digiling. Ampas tebu
yang sudah dimanfaatkan sebagai bahan bakar boiler sebanyak 60% dari
total ampas tebu yang dihasilkan. Oleh karena itu diperkirakan sebanyak 40%
dari ampas tebu tersebut belum dimanfaatkan (Husin dalam Oktavia, 2014).
Kebutuhan energi di Indonesia pada saat ini sebagian besar masih
disuplai dari bahan bakar fosil. Kebutuhan akan bahan bakar yang terus
meningkat membuat persediaan bahan bakar fosil di dunia khususnya
Indonesia semakin berkurang. Keadaan ini semakin menekankan tentang
pentingnya penelitian mengenai energi alternatif pengganti bahan bakar,
diantaranya yaitu bioetanol. Bioetanol memiliki karakteristik yang lebih
baik dibandingkan dengan bensin karena dapat meningkatkan efisiensi
pembakaran (Hambali dkk, 2007) dan mengurangi emisi gas rumah kaca
(Costello dan Chum, 1998).
Bioetanol adalah etanol yang diperoleh dari proses fermentasi
bahan-bahan karbohidrat atau lignoselulosa menggunakan bantuan
mikroorganisme. Bioetanol dapat dibuat dari tiga jenis bahan baku, yaitu
bahan berserat (selulosa), bahan yang mengandung sukrosa, serta bahan
yang mengandung pati misalnya biji-bijian. Secara umum proses pembuatan
bioetanol diawali dengan proses hidrolisis dan proses fermentasi. Proses
2 agar senyawa tersebut pecah dan terurai menjadi monosakarida (glukosa).
Fermentasi merupakan proses mikrobiologi dimana terjadi peruraian
senyawa kompleks menjadi sederhana dengan bantuan mikroorganisme
sehingga menghasilkan energi (Perry dkk, 1999).
Proses hidrolisis adalah proses yang digunakan untuk memperoleh
kadar glukosa tinggi. Beberapa cara hidrolisis selulosa yaitu hidrolisis
enzimatis, hidrolisis asam encer, dan hidrolisis asam pekat. Hidrolisis
enzimatis menggunakan bantuan enzim, sedangkan hidrolisis asam pekat
menggunakan konsentrasi asam yang tinggi, seperti HCl 40 % (b/b), H2SO4
60 % (b/b) atau HF 90 % (b/b). Menurut Rohajatien dalam Kardono (2010)
hidrolisis menggunakan asam sulfat (H2SO4) mampu menghasilkan yield
yang lebih besar dibandingkan menggunakan asam klorida (HCl).
Proses hidrolisis merupakan salah satu tahap yang sangat penting,
karena proses ini bertujuan untuk menghasilkan glukosa
sebanyak-banyaknya, dimana glukosa adalah bahan yang akan difermentasi menjadi
etanol. Katalis yang digunakan adalah asam sulfat karena bisa menghasilkan
yield yang lebih tinggi dibandingkan dengan katalis asam klorida. Oleh
karena itu peneliti tertarik untuk mengkaji tentang kinetika reaksi hidrolisis
ampas tebu dengan katalis asam sulfat untuk mengetahui kadar glukosa
optimum yang diperoleh melalui proses hidrolisis pada proses pembuatan
bioetanol.
1.2 Identifikasi Masalah
Upaya pengembangan teknologi pembuatan etanol berbasis
lignoselulosa tumbuhan merupakan salah satu upaya untuk mengadaptasi
proses hidrolisis bahan lignoselulosa berbasis kayu yang selama ini sudah
dilakukan. Kardono (2010) telah melakukan penelitian mengenai proses
hidrolisis selulosa dari batang pisang secara kimia dan enzimatis dan
pemodelan matematika yang digunakan untuk memprediksi konsentrasi
3 dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menggunakan jenis biomassa
lignoselulosa yang lainnya.
Penelitian serupa menggunakan bahan ampas tebu sudah dilakukan
oleh Artati dkk, (2010) dengan fokus penelitian pada reaksi hidrolisis
menggunakan asam sulfat pekat. Pada penelitian tersebut diperoleh
pengaruh suhu terhadap konstanta kecepatan reaksi hidrolisis ampas tebu.
Berdasarkan identifikasi masalah tersebut maka peneliti tertarik
untuk meneliti tentang pengaruh suhu, waktu reaksi, dan konsentrasi
katalis asam sulfat terhadap yield glukosa pada reaksi hidrolisis ampas
tebu pada proses pembuatan bioetanol. Selain itu penelitian ini bermaksud
untuk memodelkan kinetika reaksi hidrolisis tersebut.
1.3 Pembatasan Masalah
Berdasarkan identifikasi masalah tersebut, maka peneliti menetapkan
masalah yang akan diteliti dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Bahan baku yang digunakan untuk membuat bioetanol adalah ampas
tebu.
2. Masalah yang akan dikaji yaitu mengenai reaksi hidrolisis ampas tebu
menjadi glukosa.
3. Katalis yang digunakan pada proses hidrolisis ampas tebu adalah asam
sulfat.
4. Variabel tetap dalam penelitian ini adalah perbandingan berat ampas
tebu dan katalis, sedangkan variabel bebas dalam penelitian ini adalah
konsentrasi katalis, suhu reaksi hidrolisis, dan waktu reaksi hidrolisis.
1.4 Perumusan Masalah
1. Bagaimana pengaruh konsentrasi katalis H2SO4 terhadap yield glukosa
pada reaksi hidrolisis ampas tebu?
2. Bagaimana pengaruh suhu terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis
4 3. Bagaimana pengaruh waktu terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis
ampas tebu?
4. Bagaimana model kinetika reaksi hidrolisis dan nilai konstanta reaksi
hidrolisis?
1.5 Tujuan Penelitian
1. Mengetahui pengaruh konsentrasi katalis H2SO4 terhadap yield glukosa
reaksi hidrolisis ampas tebu.
2. Mengetahui pengaruh suhu terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis
ampas tebu.
3. Mengetahui pengaruh waktu terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis
ampas tebu.
4. Memperoleh model kinetika reaksi dan konstanta kecepatan reaksi
hidrolisis.
1.6 Manfaat Penelitian a. Masyarakat
1. Memberikan informasi kepada masyarakat mengenai pemanfaatan
limbah ampas tebu menjadi bioetanol sebagai energi alternatif
pengganti bahan bakar fosil.
2. Memberikan solusi terhadap krisis energi dengan pembuatan
bioetanol berbasis bahan alam terbarukan.
b. Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
1. Mengembangkan pengetahuan tentang kinetika reaksi hidrolisis
ampas tebu.
2. Membuat model kinetika reaksi hidrolisis pada konversi ampas tebu
45 DAFTAR PUSTAKA
Anggraeni, Putri, dkk. 2013. Hidrolisis Selulosa Eceng Gondok (Eichhornia
Crassipe) Menjadi Glukosa dengan Katalis Arang Aktif Tersulfonasi.
Jurnal Teknologi Kimia dan Industri, Vol. 2 No. 3 Hal 63-69. Jurusan
Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Diponegoro.
Apriyantono, A., dkk. 1989. Analisis Kadar Serat Kasar. Jakarta : Gramedia
Pustaka Utama.
Artati, E.K., Margareta Novia E., dan Vissia Widhie H. 2010. Konstanta
Kecepatan Reaksi Sebagai Fungsi Suhu pada Reaksi Hidrolisa Selulosa dari
Ampas Tebu dengan Katalisator Asam Sulfat. Jurnal Ekuilibrum 9(1) : 1-4.
Surakarta: Universitas Sebelas Maret.
Azizah, N, dkk. 2012. Pengaruh Lama Fermentasi Terhadap Kadar Alkohol, pH,
dan Produksi Gas pada Proses Fermentasi Bioetanol dari Whey dengan
Substitusi Kulit Nanas. Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan. Vol. 1 No. 2 Hal
72-77.
Badan Koordinasi Energi Nasional (BAROKEN). 2005. Blue Print Pengelolaan
Energi Nasional 2005-2025. Departemen ESDM. Jakarta.
Badger, P.C. 2002. Ethanol from cellulose: A general review. Janick and A.
Whipkey (Ed.). Trends in New Crops and New Uses. ASHS Press,
Alexandria, VA: 17−21.
Blanch, H.W. dan Douglas S.C. 1996. Biochemical Engineering. Marcel Dekker
Inc. New York: 618.
Brandberg, Thomas dkk. 2005. Continous Fermentation of Undetoxified Dilute
Acid Lignocellulose Hydrolysate by Saccaromyces Cerevisae ATCC 96581
Using Cell Recicurlation. Biotechnology Progress, 21, 1093-1101.
Costello, R. dan H. Chum. 1998. Biomass, bioenergy and carbon management.
Wichert (Ed.). Bioenergy ’98: Expanding Bioenergy Partnerships. Omni
46 Fatmawati, A dan Rudy Agustriyanto. 2015. Model Dinamika Orde Satu untuk
Menentukan Parameter Kinetika Reaksi Hidrolisa Enzimatis Sabut Kelapa.
Seminar Nasional Teknik Kimia Soebardjo Brotohardjo XI. Program Studi
Teknik Kimia, Fakultas teknik, Universitas Surabaya.
Fuadi, A. M. dkk, 2015. Pengaruh Suhu dan pH terhadap Banyaknya Yield
(Kadar Glukosa) yang Dihasilkan pada Proses Hidrolisis Enzimatis dari
Limbah Kertas. Simposium Nasional RAPI XIV. Hal 179-185. ISSN
1412-9612. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta.
Fujita, M. and H. Harada. 1991. Ultrastructure and formation of wood cell wall.
D.N.S. Hon and N. Shiraishi (Ed.). Wood and Cellulosic Chemistry. Marcel
Dekker,Inc., New York: 3–57
Girisuta, B. 2007. Levulinic acid from lignocellulosic biomass. Chemical
Engineering Department. Groningen, University of Groningen. Doctoral.
Goverment of India. 2012. Methods For Sampling and Analysis for Sugar
Confectionery. Tabel 2: IS 6287:1985. Food Safety and Standards Authority
of India Ministry of Health and Family Welfare. New Dehli. India.
Hambali, E dkk, 2007. Teknologi Bioenergi. Agromedia Pustaka. Jakarta.
Harianja, Jhon Wesly, dkk. 2015. Optimasi Jenis dan Konsentrasi Asam pada
Hidrolisis Selulosa dalam Tongkol Jagung. Volume 4(4) Hal. 66-71. ISSN
2303-1077. Program Studi Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Tanjungpura.
Hayn, M., W. Steiner, R. Klinger, H. Steinmuller,M. Sinner, and H. Esterbauer.
1993. Basic research and pilot studies on the enzymatic conversion of
lignocellulosics. p. 33–72. InJ.N. Saddler (Ed.). Bioconversion of Forestand
Agricultural Plant Residues. CAB International, Wallingford.
Hermiati, dkk. 2010. Pemanfaatan Biomassa Lignoselulosa Ampas Tebu untuk
Produksi Bioetanol. Jurnal Litbang Pertanian 29(4). Departemen Teknologi
47 Kardono, L. Broto S. 2010. Teknologi Pembuatan Etanol Berbasis Lignoslulosa
Tumbuhan Tropis untuk Produksi Biogasoline. Lembaga Ilmu Pengetahuan
Indonesia. Jakarta.
Kartika, B., Sutanti, R., Nuzulis, A. 1992. Petunjuk Evaluasi Produk Industri
Hasil Pertanian. Yogyakarta: PAU Pangan dan Gizi UGM.
Kurniawan, dkk. 2014. Kurva Kalibrasi Sistem Biner Etanol-Air. Program Studi
Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang.
Lankinen, P. 2004. Ligninolytic Enzymes of The Basidiomycetous Fungi Agaricus
Bisporus and Phlebia Radiata on Lignocellulose-Containing Media,
Helsinski.
Matz, S.A. 1970. Sereal Technology. The Avi Publishing, Co. Inc. West Port,
Connecticut.
McKee, dkk. 1996. Biochemistry. Chicago:Mc Grow- Hill.
Megawati. 2015. Bioetanol Generasi Kedua. Yogyakarta: Graha Ilmu.
Megawati, dkk. 2013. Optimasi Mikroskopis Monte Carlo Method dan
Makroskopis Response Surface Methodology pada Hidrolisis Lignoselulosa
untuk Pembuatan Etanol. Laporan Tahunan Fundamental DIPA.
Universitas Negeri Semarang. Semarang.
Megawati. 2012. Buku Ajar Teknik Kimia. Program Studi S1 Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang.
Oktavia, Ferys Ika, Bambang Dwi Argo dan Musthofa Lutfi. 2014. Hidrolisis
Enzimatis Ampas Tebu (Bagasse) Memanfaatkan Enzim Selulase dari
Mikrofungi Trichoderma Reseei dan Aspergillus Niger Sebagai Katalisator
Dengan Pretratment Microwave. Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas
Teknologi Pangan, Universitas Brawijaya.
Osvaldo Z. S., dkk. 2012. Pengaruh Konsentrasi Asam dan Waktu pada Proses
Hidrolisis dan Fermentasi Pembuatan Bioetanol dari Alang-Alang. Jurnal
Teknik Kimia No. 2 Vol. 18 Hal 52-62. Jurusan Teknik Kimia Fakultas
48 P3GI. 2010. Laporan Produksi Giling Tahun 2009 PTPN/PT Gula di Indonesia.
PusatPenelitian Perkebunan Gula Indonesia (P3GI). Pasuruan.
Perry, dkk. 1999. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook 7th Edition.
McGraw-Hill. New York.
Philipp. 1984. Degradation of Cellulose-Mechanisms and Applications. Pure Appl.
Chem., 56, 391-402.
Prawati, Poppy. 2015. Pembuatan Bioetanol dari Tepung Ampas Tebu Melalui
Proses Hidrolisis Termal dan Fermentasi: Pengaruh pH, Jenis Ragi dan
Waktu Fermentasi. Skripsi. Departemen Teknik kimia Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
Sassner, Per dkk. 2008. Steam Pretreatment of H2SO4 – Impregnated Salix for
The Production of Bioethanol. Bioresource Technology:137-145.
Departement of Chemical Engineering, Lund University, Sweden.
Science Stuff, lnc. 2009. Material safety data sheet (MSDS) Asam sulfat.
http://www.sciencestuff.com/msds/C2784.html Diakses pada 30 Agustus
2016 pukul 14:45 WIB
Sudarmadji. S. 1984. Prosedur Analisa untuk Bahan Makanan dan Pertanian.
Edisi Ketiga. Cetakan Pertama. Yogyakarta : Liberty.
Sukmawati, R. dan Milati S. 2009. Pembuatan Bioetanol dari Kulit Singkong.
Program Studi D III Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas
Sebelas Maret Surakarta.
Supriyanto. 2006. Runge-Kutta Orde Empat. Universitas Indonesia. Jakarta.
Suri, Annisa. 2012. Pengaruh Lama Fermentasi dan Berat Ragi Roti Terhadap
Kadar Bioetanol dari Fermentasi Glukosa Hasil Hidrolisis Selulosa
Tandan Kosong Kelapa Sawit ( Elaeis Guineensis Jack ) Dengan HCl 30%.
Skripsi. Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan
Alam Universitas Sumatera Utara. Medan.
Taherzadeh, M. J. 1999. “Ethanol from Lignocellulose: Physiological Effects
of Inhibitors and Fermentation Strategies”. PhD Thesis. Chalmers
49 Tursiloadi, Galih, K.S dan Nasih, S. 2009. Model Matematika Proses Hidrolisis
Selulosa Menjadi Glukosa Menggunakan Katalis Asam Encer. J. Tek. Ind
Pert. 19(3):164-169.
Tjokroadikoesoemo, S. 1986. “ HFS dan Industri Ubi Kayu Lainnya”. PT Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.
