Tahap Persiapan Bahan Baku Pre-treatment
Tabel 2.3 Perlakuan Awal Biomassa Lignoselulosa untuk Produksi Bioetanol [11] Perlakuan Awal
Proses Perubahan pada Biomassa
Mekanik atau Fisik Milling and Grinding
• Ball milling • Two-roll milling
• Hammer milling • Colloid milling
• Vibratory ball milling Irradiation
• Sinar gamma • Electron beam
• Microwave a
• Hydrothermal • Eksplosi uap panas
• Pirolisis dan air panas • Mengurangi ukuran
partikel • Meningkatkan luas
permukaan kontak dengan enzim
• Mengurangi kristalisasi selulosa
Kimia dan Fisik-Kimia Alkali
• Sodium hidroksida • Ammonia
• Ammonium sulfat • Ammonia Recycle
Percolation ARP
• Kapur lime Asam
• Asam sulfat, asam • Meningkatkan area
permukaan yang mudah diakses
• Delignifikasi sebagian atau keseluruhan
• Menurunkan kristalisasi selulosa
• Menurunkan derajat polimerisasi
• posfat, asam hidroklorat
• Clorin dioksida • Nitrogen dioksida
• Sulfur dioksida Agen oksidasi
• Hidrogen peroksida
• Ozone • Oksidasi basah
Pelarut untuk ekstraksi lignin
• Ekstraksi etanol-air • Ekstraksi benzene-air
• Ekstraksi etlin glikol Ekstraksi butanol air
• Hidrolisis hemiselulosa sebagian
atau keseluruhan
Biologi Fungi Pelapuk Putih
• Phanerochaete chrsosporium,
Pleurotus ostreatus, • Delignifikasi
• Penurunan derajat polimerisasi selulosa
Perlakuan Awal Proses
Perubahan pada Biomassa • Trametes versicolor,
Pycnoporus, Ischnoderma, Phlebia
Actinomycetes • Penurunan derajat
kristalisasi selulosa
Kombinasi • Alkali pulping dengan
steam explosion • Grinding diikuti
alkaline atau acid
treatment • Mendegredasi
hemiselulosa • Delignifikasi
• Meningkatkan area permukaan dan
ukuran pori
a. Perlakuan Pendahuluan Fisika Physical pretreatment Pretreatment
fisika dapat meningkatkan luas permukaan yang diakses dan ukuran pori-pori, serta mengurangi kristalinitas dan derajat polimerisasi selulosa.
Berbagai jenis proses fisik seperti penggilingan misalnya ball milling, two-roll milling
, hammer milling, colloid milling, dan vibro energy milling dan iradiasi misalnya dengan sinar gamma, berkas elektron atau microwave dapat digunakan
untuk meningkatkan hidrolisis enzimatik atau biodegradasi bahan limbah lignoselulosa. Penggilingan dapat digunakan untuk mengubah ultrastruktur
melekat lignoselulosa dan derajat kristalinitas, dan akibatnya membuatnya lebih menerima selulosa. Penggilingan dan pengecilan ukuran telah diterapkan sebelum
hidrolisis enzimatik, atau proses pretreatment lainnya seperti dengan asam encer, uap atau amonia, pada beberapa bahan limbah lignoselulosa [25]. Studi tentang
efisiensi dari penggilingan milling dan dilanjutkan dengan proses kimia telah dilakukan [26]. Pengecilan ukuran dilakukan dengan menggunakan hammer
milling dan disk milling. Hasil yang diperoleh menunjukkan disk milling lebih
efektif dari pada hammer milling karena pada hammer milling akan terbentuk ikatan serat. Selanjutnya proses pendahuluan kimia tidak hanya meningkatkan
konversi selulosa tetapi juga mengurangi konsumsi energi penggilingan mekanik secara signifikan.
Sedangkan, iradiasi dapat meningkatkan hidrolisis enzimatik dari lignoselulosa. Kombinasi radiasi dan metode lain seperti perlakuan asam dapat
lebih mempercepat hidrolisis enzimatik. Iradiasi telah meningkatkan degradasi enzimatik selulosa menjadi glukosa [25]. Pre-treatment microwave merupakan
alternatif bagus untuk dapat mengurangi waktu perlakuan pada suhu tinggi.
Dalam studi yang dilakukan Binod, et al membandingkan tiga tipe dari pre- treatment microwave
, yaitu microwave-asam, microwave-alkali, dan kombinasi keduanya. Diperoleh hasil dengan perlakuan microwave kombinasi alkali dan
asam dengan 1 NaOH dan 1 asam sulfat meningkatkan perolehan gula 0,83 gg biomassa kering dan mempunyai waktu yang singkat dari ketiga microwave
tersebut [27].
b. Perlakuan Pendahuluan Fisika-Kimia Physico-chemical pretreatment Perlakuan pendahuluan dengan kombinasi diantara proses kimia dan fisika
disebut sebagai physico-chemical pretreatment. Adapun beberapa proses yang penting termasuk dalam perlakuan ini antara lain Eksplosi uap panas
autohydrolisis, Eksplosi uap panas dengan penambahan SO
2
, Eksplosi ammonia AFEX, Eksplosi CO
2
, dan Liquid Hot Water pretreatment. Di antara proses fisika-kimia, steaming dengan atau tanpa eksplosi
autohydrolisis cukup mendapat perhatian untuk pretreatment bahan lignoselulosa. Pada proses ini menghilangkan sebagian besar hemiselulosa,
sehingga meningkatkan proses enzimatik. Proses ini sudah banyak diuji skala lab maupun pilot plant oleh kelompok peneliti dan perusahaan. Biaya energi yang
relatif dapat terpenuhi memenuhi persyaratan proses pretreatment. Selain pengunaan uap panas, perlakuan lainnya seperti cairan air panas
LHW juga dapat diperhitungkan. Memasak bahan lignoselulosa dalam cairan air panas adalah salah satu metode pretreatment hidrotermal yang diterapkan untuk
pretreatment bahan lignoselulosa sejak beberapa dekade yang lalu, misalnya
industri pulp. Air di bawah tekanan tinggi dapat menembus ke dalam biomassa, selulosa hidrat, dan menghilangkan hemiselulosa dan lignin. Keuntungan utama
adalah tidak ada penambahan bahan kimia dan tidak ada kebutuhan bahan tahan korosi untuk reaktor hidrolisis dalam proses ini. Pengurangan ukuran bahan baku
adalah operasi yang sangat menuntut energi untuk sebagian besar bahan pada skala komersil, tidak akan ada kebutuhan untuk pengurangan ukuran di LHW
pretreatment . Selain itu, proses ini memiliki kebutuhan yang jauh lebih rendah
dari bahan kimia untuk netralisasi hidrolisat yang dihasilkan, dan menghasilkan lebih rendah jumlah residu netralisasi dibandingkan dengan banyak proses seperti
perlakuan asam. Karbohidrat hemiselulosa yang terlarut sebagai oligosakarida dan dipisahkan dari selulosa yang tidak larut dan fraksi lignin. LHW dapat
memperbesar daerah permukaan akses selulosa dan membuatnya lebih mudah mengalami hidrolisis enzim [25]. Pre-treatment dengan proses LHW sudah
dilakukan scale-up untuk skala industri, biaya yang dikeluarkan untuk proses LHW sekitar 0,84 galon etanol yang dihasilkan [28].
c. Perlakuan Pendahuluan Kimia Chemical pretreatment Perlakuan pendahuluan kimia diantaranya hidrolisis alkali, alkali peroksida,
proses organosolv, oksidasi basah, proses ozon, dan hidrolisis asam. Dengan menggunakan proses ini beberapa perubahan biomassa yang terjadi antara lain:
meningkatkan area permukaan yang mudah diakses, delignifikasi sebagian atau keseluruhan, menurunkan kristalisasi selulosa, menurunkan derajat polimerisasi,
hidrolisis hemiselulosa sebagian atau keseluruhan [11]. Seperti namanya proses ini menggunakan bahan-bahan kimia dalam mendegradasi bahan lignoselulosa
tersebut, diantaranya natrium hidroksida NaOH, kalsium hidroksida CaOH
2
, ozon O
3
, hidrogen peroksida H
2
O
2
, asam sulfat H
2
SO
4
, asam klorida HCl, asam nitrat HNO
3
dan lain sebagainya [25]. Perlakuan pendahuluan kimia sudah banyak dilakukan salah satunya adalah
hidrolisis asam. Penelitian yang dilakukan oleh Unhasirikul et al tentang produksi gula dari bahan baku kulit durian dengan perlakuan hidrolisis asam. Asam yang
digunakan antara lain asam sulfat H
2
SO
4
, asam klorida HCl, dan asam posfat H
3
PO
4
dengan konsentrasi 0,5-2,0 dan dihidrolisis di dalam autoclave. Diperoleh hasil bahwa efisiensi hidrolisis asam ini mencapai lebih dari 70.
Hidrolisis asam dengan H
2
SO
4
dan HCl ditemukan glukosa, fruktosa dan xilose, sedangkan dengan H
3
PO
4
ditemukan glukosa dan fruktosa [29]. Penggunaan bahan kimia tersebut, tidak mempengaruhi hidrolisis enzimatik,
tetapi mereka biasanya menghambat pertumbuhan mikroba dan fermentasi, yang menghasilkan yield dan produktivitas etanol menurun. Selain bahan-bahan kimia
yang dibutuhkan untuk proses pretreatment, dibutuhkan juga bahan-bahan kimia untuk netraslisasi hidrolisat yang dihasilkan dan akan menghasilkan residu
netralisasi yang lebih besar. Oleh karena itu, pretreatment pada pH rendah harus
dipilih dengan benar untuk menghindari atau setidaknya mengurangi formasi inhibitor ini [25].
d. Perlakuan Pendahuan Biologi Biological pretreatment Mikroorganisme juga dapat digunakan untuk merubah bahan lignoselulosa
dan meningkatkan hidrolisis enzimatik. Serangan biologis dari mikroorganisme tersebut mendegradasi lignin dan hemiselulosa, dan hanya sedikit bagian selulosa
yang diserang. Beberapa jamur, misalnya brown-, white- dan soft-rot fungi, telah digunakan untuk tujuan ini. Jamur pelapuk putih merupakan mikroorganisme
yang paling efektif untuk pretreatment biologis lignoselulosa. Kebutuhan energi yang rendah, tidak memerlukan bahan kimia, dan kondisi lingkungan yang ringan
adalah keuntungan utama dari pretreatment biologi. Namun, proses ini masih sangat sedikit digunakan [25]. Studi tentang perlakuan biologi dilakukan oleh Lee
et al mengevaluasi perlakuan biologi pada Pinus densiflora Pinus merah Jepang dengan menggunakan tiga tipe white rot fungi yaitu Cerioria lacerata, Stereum
hirsutum dan Polypirus brumalis. Dari ketiga jamur tersebut perlakuan
menggunakan S.hirsutum menunjukkan hasil yang lebih baik dari jamur lainnya, aktivitas penghilangan lignin yang tinggi dan aktivitas penghilangan selulosa yang
rendah [30].