PEMBUATAN BIOETANOL DARI BATANG JARAK
MENGGUNAKAN METODE HIDROLISA
DENGAN KATALIS ASAM SULFAT
Ferdin Oktavianus, Roy Martua Sigiro, M. Djoni Bustan
*Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jln. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Inderalaya Ogan Ilir (OI) 30662
Email: haryati_djoni@yahoo.co.id
Abstrak
Krisis energi menyebabkan semakin terbatasnya persediaan energi. Oleh karena itu, diperlukan sumber energi alternatif untuk mengatasi masalah krisis energi. Salah satu energi alternatif yang disini dapat dikembangkan adalah bioetanol dari batang jarak pagar. Pada awalnya serbuk batang jarak di delignifikasi sebelum diproses kembali menjadi etanol dengan menggunakan proses hidrolisis dan asam sulfat sebagai katalisnya. Mekanisme reaksi :
C6H12O6(l) 2C2H5OH (l) + H2SO4(l)
Glukosa Etanol Asam Sulfat
Variabel penelitian yang digunakan adalah massa serbuk batang jarak 5; 10; 15 gram, waktu hidrolisa15; 30; 45 menit dan konsentrasi katalis 10%(v/v) dan 15%(v/v). Kemudian analisa kadar etanol menggunakan alat kromatografi gas. Dari studi ini dihasilkan kadar etanol tertinggi sebesar 2,6670% pada waktu hidrolisa 45 menit dan massa serbuk batang jarak 15 gram dengan konsentrasi katalis asam sulfat 15%(v/v).
Kata kunci : Asam sulfat, delignifikasi, hidrolisa, jarak pagar,
Abstract
The energy crisis led to the limited energy supplies. Therefore, alternative energy sources are needed to overcome the problem of crisis energy. One of the alternative energy that can be developed here is bioethanol from jatropha stem. The first, jatropha’s powder was delignified before it was processed into ethanol by hydrolyzed using sulfuric acid as the catalyst. The mecanism of reaction:
C6H12O6(l) 2C2H5OH (l) + H2SO4(l)
Glucose Ethanol Sulfuric Acid
The research variable is powder mass 5; 10; 15 grams, catalyze concentration 10% (v/v) and 15%(v/v) and time of hydrolyze 15; 30; 45 minutes. Analysis of glucose and ethanol levels using gas chromatography. From this study produced the highest ethanol content of 2.6670%(v/v) hydrolysis at 45 minutes and jatropha stem powder mass 15 grams with 15%(v/v) sulfuric acid’s volume.
1. PENDAHULUAN
Pada masa sekarang tingkat pemakaian bahan bakar minyak sangat tinggi sedangkan sumber bahan bakar minyak bumi yang di pakai saat ini semakin menipis karena peningkatan kebutuhan serta jumlah penduduk yang bertambah terutama di Indonesia. Oleh sebab itu, diperlukan sumber energi alternatif baru yang mampu mencukupi atau paling tidak dapat menghemat penggunaan energi dari bahan bakar fosil tersebut.
Saat ini sedang diusahakan secara intensif pemanfaatan bahan-bahan bergula, berpati, dan berserat. Salah satu bahan berserat yang berpotensi untuk pembuatan etanol yaitu tanaman jarak pagar, mengingat tanaman ini dapat tumbuh di lahan kritis, mudah ditanam dan masyarakat telah mengenal dengan baik tanaman ini.
Selain dari buah tanaman jarak pagar, bioetanol dapat juga dibuat dari batang jarak pagar. Batang jarak pagar (Jatropha curcas L., Euphorbiaceae) mempunyai kadar selulosa sebesar 42,99%. Selulosa dapat dihidrolisis menjadi etanol.
Tabel 1. Komposisi batang jarak
*World Academy of Science, Engineering and Technology 53 2009
Hasil etanol dari batang jarak pagar ini diharapkan dapat menambah nilai guna dari batang jarak pagar menjadi sumber energi pengganti gasoline sebagai langkah awal melepaskan ketergantungan dari bahan bakar fosil yang keberadaannya semakin berkurang.
Jarak Pagar
Tanaman jarak pagar (Jatropha curcas
L.,Euphorbiaceae) merupakan tumbuhan semak berkayu yang banyak ditemukan di daerah tropik. Tanaman jarak pagar termasuk famili Euphorbiaceae, satu famili dengan karet dan ubikayu.
Tumbuhan ini dikenal dapat bertahan hidup di daerah kering terutama didaerah tropis dan mudah diperbanyak dengan stek. Walaupun telah lama dikenal sebagai bahan pengobatan dan racun, saat ini jarak semakin mendapat perhatian sebagai sumber bahan bakar hayati untuk mesin diesel karena kandungan minyak bijinya
.
Tanaman jarak mudah beradaptasi terhadaplingkungan tumbuhnya, dapat tumbuh baik pada tanah yang kurang subur asalkan memiliki drainase baik (tidak tergenang) dengan pH tanah optimal 5.0–6.5. Tanaman jarak pagar merupakan tanaman tahunan jika dipelihara dengan baik dapat hidup lebih dari 20 tahun. Tanaman ini dapat tumbuh baik pada tempat dengan curah hujan hanya empat bulan, berbeda dari kelapa sawit yang memerlukan curah hujan konstan untuk hasil terbaiknya.
Selulosa
Selulosa adalah struktur dasar sel-sel tanaman, oleh karena itu merupakan bahan alam yang paling penting yang dibuat oleh organisme hidup. Selulosa merupakan komponen tanaman yang terbesar dan merupakan komponen penting yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan kertas dan merupakan polimer linear dengan berat molekul tinggi yang tersusun seluruhnya atas ß-D-glukosa dan dapat memenuhi fungsinya sebagai komponen struktur utama dinding sel tumbuhan karena sifat-sifat kimia dan fisiknya maupun struktur molekulnya. Menurut Sjostrom (1981), selulosa merupakan homopolisakarida yang tersusun atas unit ß-D-glukopironosa yang terikat satu sama lain dengan ikatan glikosida.
Lignin
Lignin adalah polimer aromatik kompleks yang terbentuk melalui polimerasi tiga dimensi dari sinamil alkohol dengan bobot molekul 11.000 menurut Nevel dan Zeronian. Lignin terbentuk dari fenil propana, unit-unit fenil propana terikat satu dengan lainnya dengan ikatan eter (C-O-C) maupun ikatan karbon-karbon.
Lignin bersifat hidrofobik dan melindungi selulosa sehingga strukturnya bersifat kaku (rigid). Adanya ikatan aril alkil dan ikatan eter di dalamnya menyebabkan lignin menjadi tahan terhadap proses hidrolisis dari asam-asam universal. Lignin dapat dioksidasi oleh larutan alkali dan oksidator lain. Pada suhu tinggi, lignin dapat mengalami perubahan menjadi asam format, metanol, asam asetat, aseton dan vanilin.
Lignin dapat dihidrolisis dan diekstraksi dari biomassa lignoselulosik atau diubah menjadi turunan yang larut.Lignin juga larut sebagai alkali lignin bila biomassa lignoselulosik diperlakukan pada suhu tinggi dengan natrium hidroksida atau dengan campuran natrium hidroksida dan natrium sulfide.
Lignin terdapat dalam semua biomassa lignoselulosa dengan jumlah yang berbeda. Pada setiap proses produksi etanol, akan diperoleh lignin sebagai residunya.
KOMPOSISI % BERAT KERING
Hidrolisis selulosa
Hidrolisis selulosa dapat dilakukan secara enzimatis dan kimiawi. Hidrolisis secara enzimatis dapat dilakukan dengan menggunakan enzim selulase, sedangkan hidrolisis secara kimiawi dapat dilakukan dengan menggunakan asam, yaitu asam kuat konsentrasi rendah maupun asam lemah konsentrasi tinggi. Asam yang digunakan dalam proses hidrolisis selulosa antara lain asam sulfat, asam klorida, asam fosfat, asam nitrat dan asam trifluoroasetat (TFA). Pemilihan asam dan konsentrasi yang akan digunakan tergantung pada jenis sampel yang akan dihidrolisis.
Hidrolisis selulosa secara asam dapat dilakukan dengan menggunakan asam kuat encer pada temperatur dan tekanan tinggi, dan dapat dilakukan dengan menggunakan asam pekat pada temperatur dan tekanan rendah. Proses hidrolisis pada suhu tinggi dilakukan pada kisaran suhu 160-240°C, sedangkan proses hidrolisis pada suhu rendah dilakukan pada suhu 80-140°C. Hidrolisis bahan-bahan berlignoselulosa akan menghasilkan senyawa gula sederhana, seperti glukosa, xilosa, selobiosa dan arabinosa. Asam yang biasanya digunakan untuk hidrolisis selulosa adalah asam sulfat, asam fosfat dan asam klorida.
Hidrolisis dalam suasana asam menghasilkan pemecahan ikatan glikosida dan berlangsung dalam tiga tahap. Tahap pertama proton yang berkelakuan sebagai katalisator asam berinteraksi cepat dengan oksigen glikosida yang menghubungkan dua unit gula (I), yang akan membentuk asam konjugat (II). Langkah ini akan diikuti dengan pemecahan yang lambat dari ikatan C-O, dalam kebanyakan hal menghasilkan zat antara kation karbonium siklis (III). Protonasi dapat juga terjadi pada oksigen cincin (II’), menghasilkan pembukaan cincin dan kation karbonium non siklis (III’). Mekanisme reaksi total hidrolisis selulosa secara asam ditampilkan dibawah ini :
Etanol (Etil Alkohol)
Etanol adalah alkohol biasa dan merupakan alkohol terpenting. Pada suhu kamar etanol berupa zat cair bening, mudah menguap, dan berbau khas. Dalam kehidupan sehari-hari, alkohol dapat kita temukan dalam spiritus, dalam alkohol rumah tangga (alkohol 70% yang digunakan sebagai pembersih luka), dalam
minuman beralkohol atau dalam air tape, dan lain-lain.
Etanol adalah alkohol yang digunakan dalam minuman seperti bir, anggur, dan berbagai jenis minuman keras lainnya. Etanol dapat dihasilkan dari proses hidrolisis selulosa dengan bantuan katalis asam sulfat . Proses hidrolisis berlangsung dalam dua tahap. Tahap pertama adalah perubahan selulosa menjadi monosakarida (glukosa) yang dikatalisis oleh asam sulfat. Tahap kedua adalah pengubahan glukosa menjadi alkohol yang dikatalisis oleh asam sulfat. Selulosa yang digunakan untuk proses hidrolisis ini dapat berasal dari batang tanaman ataupun tumbuhan lainnya.
Kadar etanol yang dihasilkan dari fermentasi glukosa ini hanya berkisar 1% - 3% karena pada kadar yang lebih tinggi sel ragi tidak dapat hidup. Kadar etanol yang lebih tinggi dapat diperoleh melalui pemekatan dengan cara destilasi. Melalui destilasi dapat diperoleh alkohol sampai 95,5%. Alkohol yang lebih pekat dari itu tidak dapat diperoleh melalui destilasi karena campuran yang mengandung 95,5% alkohol dengan 4,5% air mempunyai titik didih yang tetap (campuran azeotrop).
Bentuk etanol berupa cairan yang tidak berwarna dan memiliki bau khas. Kegunaan etanol antara lain :
1. Sebagai bahan baku pembuatan senyawa lain, seperti asam asetat.
2. Perawatan kimia (kosmetik, farmasi, dan lain-lain).
3. Sebagai pelarut organik.
4. Sebagai konsumsi minuman beralkohol.
Tabel 2. Sifat Fisika dan Sifat Kimia Etanol Sifat Fisika dan Sifat Kimia Nilai Berat molekul, g/mol
Titik beku, oC Titik didih normal, oC Densitas, g/ml
Viskositas (20 oC), mPa.s (Cp) Panas penguapan normal, J/g Panas pembakaran pada 25 oC, J/g
Panas jenis pada 25 oC, J (g oC) Nilai Oktan
Wujud pada suhu kamar Dicampur dengan natrium Kelarutan dalam air
Dapat terbakar
2. METODOLOGI
Penelitian ini dilakukan secara eksperimen untuk mengetahui pengaruh rasio bahan baku, konsentrasi katalis, dan waktu hidrolisa terhadap kadar etanol yang dihasilkan dengan menggunakan proses hidrolisa yang menggunakan katalis asam sulfat. Proses konversi selulosa dari batang jarak menjadi bioetanol melalui beberapa tahapan.
Persiapan bahan baku
Tanaman jarak dengan rata-rata usia 3-4 tahun diperoleh dari daerah Indralaya. Batang dengan diameter 6 cm dikupas dan dipotong berbentuk batangan-batangan dengan berat basah masing-masing batang ± 1 kg. Batang dikeringkan dengan panas matahari langsung selama 1 bulan dan berat kering nya antara 0,6-0,7 kg. Batang yang sudah dikeringkan kemudian dijadikan bubuk dengan menggunakan alat pemotong kayu
Delignifikasi
Bubuk batang jarak direndam dalam larutan NaOH 6% (v/v) dan dipanaskan kembali diatas hotplate pada suhu 100oC selama 30 menit. Bubur hasil delignifikasi dicuci dengan air untuk menghilangkan lignin yang terlarut dan NaOH hingga pH-nya netral. Bubur yang telah dicuci dimasukkan ke dalam oven untuk menghilangkan kadar air pada suhu 100-110oC sehingga diperoleh selulosa.
Hidrolisa Selulosa
Selulosa hasil delignifikasi ditimbang sebanyak 5, 10, dan 15 gram, dicampur dengan H2SO4 10% (v/v) . Larutan tersebut dimasukkan
ke dalam erlenmeyer yang ditutup dengan gabus dan dipanaskan sambil diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer selama 15, 30, dan 45 menit. Suhu di dalam erlenmeyer dijaga pada 90°C. Hasil dari hidrolisa ini kemudian disaring dengan menggunakan kertas saring sehingga diperoleh etanol yang belum murni.
Pemurnian
Etanol yang dihasilkan dari proses hidrolisa dimasukkan ke dalam labu destilasi dan dipanaskan dengan menggunakan water bath. Temperatur dijaga pada 80°C. Proses destilasi ini berlangsung selama 4-5 jam. Destilat (etanol) yang dihasilkan kemudian ditimbang dengan piknometer untuk mengukur densitas hasil proses pemurnian ini.
Analisa Produk
Ada beberapa cara untuk mengukur kadar etanol dan setiap metode pengukuran memiliki keunggulan dan kekurangannya masing-masing. Beberapa metode itu adalah analisis menggunakan GC ( Gas Chromatography ), analisis dengan HPLC (High Performance Liquid Chromatography), dan metode Hidrometer alkohol.
Analisis menggunakan GC (Gas Chromatography) menghasilkan waktu yang singkat dan ketajaman pemisahan yang tinggi serta dapat menggunakan kolom lebih panjang untuk menghasilkan efisiensi pemisahan yang tinggi. Teknik kromatografi gas terbatas untuk zat yang mudah menguap dan tidak mudah dipakai untuk memisahkan campuran dalam jumlah besar. Pemisahan pada tingkat mg dan gram bisa dilakukan, tetapi pemisahan dalam tingkat pon atau ton sulitr dilakukan.
Analisa dengan HPLC (High Performance Liquid Chromatography dapat digunakan untuk isolasi zat yang tidak mudah menguap dan zat yang tidak stabil. Teknik ini juga memiliki kelemahan dalam hal peralatan dan biaya penelitian yang cukup mahal dan waktu analisis yang cukup lama (± 1 jam).
Metode hidrometer alkohol menggunakan sensor gas alkohol Figaro TGS2620. Alat ini digunakan untuk mendeteksi kadar etanol pada suatu cairan dengan waktu yang relatif singkat dan hasil yang mendekati akurat dibandingkan dengan metode yang lain. Alat ini menggunakan mikrokontroler ATMEGA8535 sebagai pengkonversi analog ke digital. Namun dikarenakan keterbatasan alat, analisa terhadap kadar alkohol dalam penelitian ini dilakukan dengan mengukur densitas etanol dengan menggunakan piknometer dilaboratorium.
Piknometer yang telah diketahui beratnya diisi dengan sampel kemudian ditimbang dengan neraca analitik dan catat beratnya. Dilakukan hal yang sama untuk aquadest. Setelah diketahui berat masing-masing, lalu berat sampel dibagi dengan berat aquadest sehingga didapatkan berat jenis dari alkohol. Untuk menentukan persentase kadar alkohol bisa dilihat pada table
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Kadar Etanol (%)
Gambar 1. Pengaruh Variasi Massa dan Waktu hidrolisa terhadap kadar etanol dengan
konsentrasi asam sulfat 10 %
Gambar 1 memperlihatkan pengaruh variasi massa dan waktu hidrolisa terhadap kadar etanol dengan konsentrasi asam sulfat 10%. Pada massa bahan baku 5 gram, terlihat bahwa waktu hidrolisa berbanding lurus dengan kadar etanol yang dihasilkan. Kenaikan kadar etanol terhadap waktu hidrolisa terjadi secara linear, karena waktu kontak yang terjadi juga bertambah maka jumlah selulosa yang akan dikonversi menjadi etanol juga bertambah. Dengan massa bahan baku 5 gram ini, kadar etanol tertinggi diperoleh dengan waktu hidrolisa 45 menit yaitu 1,7190%.
Kadar etanol tertinggi yang dihasilkan pada massa bahan baku 10 gram adalah 2,2500%. Selama bertambahnya waktu terjadi kenaikan kadar etanol, namun peningkatannya secara perlahan, tetapi tidak membentuk garis linier.
Seperti pada massa 5 gram, kenaikan kadar etanol terjadi berbanding lurus dengan bertambahnya waktu hidrolisa secara linier pada massa bahan baku 15 gram. Tetapi, slope kenaikan kadar etanol pada massa bahan baku tertinggi ini lebih kecil daripada massa 5 gram. Hal ini dikarenakan laju reaksi yang sudah mendekati maksimum menyebabkan kenaikan kadar etanol kecil.
Dari ketiga variabel massa bahan baku, didapatkan kadar etanol tertinggi 2,6070% yang dihasilkan dari massa bahan baku 15 gram. Sedangkan kadar etanol terendah 0,9270% yang dihasilkan dari massa bahan baku 5 gram. Ini menunjukkan bahwa semakin bertambahnya massa bahan baku, maka akan semakin bertambah pula kandungan selulosa yang dapat dikonversi menjadi etanol.
Gambar 2. Pengaruh Variasi Massa dan Waktu hidrolisa terhadap kadar etanol dengan
konsentrasi asam sulfat 15 %
Pengaruh variasi massa dan waktu hidrolisa terhadap kadar etanol dengan konsentrasi asam sulfat 15% dapat terlihat pada Gambar 2. Untuk massa bahan baku 5 gram dihasilkan kadar etanol tertinggi 2,2222% dengan waktu hidrolisa 45 menit. Terjadi kenaikan kadar etanol seiring bertambahnya waktu hidrolisa. Hal ini disebabkan waktu kontak yang bertambah sehingga semakin banyak jumlah selulosa yang akan dikonversi menjadi etanol.
Pada massa bahan baku 10 gram kadar etanol tertinggi yang dihasilkan adalah 2,25167%. Ini menunjukkan bahwa kadar etanol meningkat seiring bertambahya waktu hidrolisa, sehingga waktu kontak yang terjadi juga bertambah dan jumlah selulosa yang akan dikonversi menjadi etanol juga bertambah .
Kadar etanol tertinggi yang dihasilkan pada massa bahan baku 15 gram sebesar 2,6670%. Ini menunjukkan bahwa waktu hidrolisa berbanding lurus dengan kadar etanol yag dihasilkan seperti pada gambar 4.2 untuk massa bahan baku 5 gram. Kenaikan kadar etanol terhadap waktu hidrolisa terjadi secara linear, karena waktu kontak yang terjadi juga bertambah maka jumlah selulosa yang akan dikonversi menjadi etanol juga bertambah.
Dari ketiga variabel massa bahan baku, kadar etanol tertinggi dihasilkan dari massa bahan baku 15 gram sebesar 2,6670%. Kadar etanol terendah 1,1513% yang dihasilkan dari massa bahan baku 5 gram. Hal ini dikarenakan semakin bertambahnya massa bahan baku, maka akan semakin bertambah pula kandungan selulosa yang dapat dikonversi menjadi etanol.
konsentrasi katalis asam sulfat 15%. Hal ini menunjukkan bahwa selain dipengaruhi oleh massa bahan baku dan waktu reaksi, peningkatan kadar etanol juga dipengaruhi oleh konsentrasi asam sulfat sebagai katalis. Semakin besar konsentasi katalis asam sulfat yang digunakan, semakin tinggi kadar etanol yang dihasilkan.
Analisa GC (Gas Chromatography)
Sampel yang digunakan pada analisa GC (Gas Chromatography) adalah sampel dengan massa bahan baku 15 gr pada waktu hidrolisa 45 menit dengan konsentrasi katalis asam sulfat 15%. Hasil analisa dengan GC akan tertulis oleh integrator dalam bentuk laporan RT (waktu retensi), AREA (luas puncak), TYPE (tipe puncak), AREA% (persen senyawa dalam larutan).
Dengan membandingkan antara kromatogram larutan baku dan larutan cuplikan pada analisa GC, maka didapatkan produk etanol untuk massa bahan baku 15 gr pada waktu hidrolisa 45 menit dengan konsentrasi katalis asam sulfat 15% sebesar 5%.
Dari kedua analisa tersebut dapat diketahui bahwa analisa menggunakan Gas Chromatography menghasilkan produk etanol yang lebih besar dibandingkan dengan analisa densitas menggunakan piknometer. Hal ini disebabkan karena analisa menggunakan GC (Gas Chromatography) menghasilkan waktu yang singkat dan ketajaman pemisahan yang tinggi serta menggunakan kolom lebih panjang sehingga menghasilkan efisiensi pemisahan yang tinggi.
4. KESIMPULAN
Dari penelitian dapat disimpulkan bahwa semakin besar massa bahan baku maka akan semakin besar kadar etanol yang dihasilkan, dikarenakan semakin besar pula kandungan selulosa yang dapat dikonversi menjadi etanol. Semakin lama waktu hidrolisa maka akan semakin besar pula kadar etanol yang dihasilkan, ini disebabkan suatu reaksi membutuhkan waktu kontak untuk menghasilkan produk dan semakin banyak pula reaktan yang berubah menjadi etanol. Selain dipengaruhi oleh massa bahan baku dan waktu reaksi, peningkatan kadar etanol juga dipengaruhi oleh konsentrasi asam sulfat sebagai katalis. Ini dikarenakan katalis dapat meningkatkan energi aktivasi. Dari rasio variabel proses yang digunakan diperoleh kadar etanol terbaik, yaitu rata-rata sebesar 2,6683 %. pada waktu hidrolisa 45 menit dan berat bahan baku
15 gram dengan konsentrasi katalis sebesar 15%
(v/v).
DAFTAR PUSTAKA
Apriana Silalahi, Rima dan Sihombing, Novaria.
Pengaruh Waktu ,temperature dan dosis As.Sulfat pada hidrolisa alang-alang dilanjutkan hasil hidrolisa menjadi etanol. Indralaya. 2010. Perpustakaan Jurusan Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
Herawati Aritonang, Agustini dan Lumban Gaol, Rika. Pembuatan etanol dari serbuk pelepah dan daun pisang dengan menggunakan metode hidrolisa.
Indralaya. 2010. Perpustakaan Jurusan Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
Komarayati Sri, Winarni Ina dan Djarwanto. Pembuatan Bioetanol dari Empulur Sagu (Metroxylon spp.) dengan menggunakan
Enzim. 2011. Pusat Penelitian dan
Pengembangan Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan.
Perry, Robert H. dan Don W. Green. Perry’s Chemical Engineers Handbook 7 edition.NewYork:McGraw-Hill
Setya Purnaning, Arry. 2010. Pemanfaatan alang-alang (Imperata cylindrica (L.) Raueschel) sebagai substrat selulosa dalam produksi bioetanol. Bandung.Tesis 2010
Susanti, Meisa & Andriani, Deasy. Pemanfaatan batang pisang sebagai bahan baku pembuatan alkohol secara Fermentasi. Indralaya. 2004. Perpustakaan Jurusan Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
