Rancang bangun proses produksi bioetanol dari lignoselulosa sebagai energi terbarukan dengan pendekatan ekoefisiensi
RANCANG BANGUN PROSES PRODUKSI
BIOETANOL DARI LIGNOSELULOSA SEBAGAI
ENERGI TERBARUKAN DENGAN
PENDEKATAN EKOEFISIENSI
WAGIMAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Rancang Bangun Proses
Produksi Bioetanol dari Lignoselulosa Sebagai Energi Terbarukan dengan
Pendekatan Ekoefisiensi adalah karya saya dengan arahan dari komisi
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Januari 2012
Wagiman
NIP F361070061
ABSTRACT
WAGIMAN. 2012. Design of The Lignocellulosic Bioethanol Production as A
Source of Renewable Energy Using The Ecoefficiency Approach. Under direction
of Anas Miftah Fauzi, Djumali Mangunwidjaja, Sukardi.
Corn stover, as an agricultural residue, is one of the lignocellulosic
biomass abundantly available in Indonesia. It is an attractive material for
bioethanol fuel production. Conversion of lignocellulosic to ethanol consists of
four major unit operations: pretreatment, hydrolysis, fermentation and ethanol
purification. Biomass pretreatment is one of the main processing steps which
have significant contribution to the cost effectiveness of cellulosic biomass
conversion to ethanol. The purpose of this research was to elucidate the ethanol
production from lignocellulosic biomass through development of pretreatment
technology as well as simultaneous saccharification and co-fermentation (SSCF)
technology. The pretreatment consisted of the delignification using Ca(OH)2 and
two stages hydrothermolysis at 121 OC for one hour and at 180-190 OC for 20
minutes respectively, while the SSCF elaborated the use of cellulase and xylanase
enzymes for saccharification and the use of mixed culture fermentation. An
optimum process condition for chemical pretreatment was achieved at Ca(OH)2
loading of 0.075 g/g biomass and the use of 6.25 ml water/g biomass, heated at
69.61 OC for 2 hours. Hydrothermolysis produced solid fraction that contained
42.68% of cellulose and 34.68% of hemicellulose. The highest ethanol
concentration (43.08 g/l) was obtained after 48 hours of incubation. The energy
required for ethanol production was 44.154 MJ/L ethanol and the Net Energy
Ratio (NER) value was 5.60, while the water demand reached 114.08 L/L ethanol.
Consequently, this production system emitted CO2 (21.93 kg/L ethanol), N2O
(0.00003 kg/L ethanol), and CH4 (0.0000002 kg/L ethanol). The suitable design of
production process had a negative impact on global warming potential, because
the emitted greenhouse gas was 6.578 ton CO2-eq annually. The techno-economic
analysis showed that the investment needed to produce 1000 L ethanol per day
was Rp 1,891,508,861.00, with working capital of Rp 466,230,881.00 and
production costs of Rp 2,797,385,287.00 per year. The production was feasible
because its Net Present Value (NPV) value was Rp 957,794.270.00, the Internal
Rate of Return (IRR) was 19.29%, which was higher than interest rate 12%, and
the payback period was 4.96 years. With the raw materials intensity of 7,881 kg/L,
the environmental impact was equivalent to 248.68 tons of CO2-eq. If the price of
CO2 was Rp 270,000 per ton (based on 2020), then the ratio of value-added and
environmental impact, which called ecoefficiency value, was 0.032.
Keywords : corn stover, bioethanol, lignocellulose, energy, ecoefficiency
WAGIMAN. 2012. Rancang Bangun Proses Produksi Bioetanol dari
Lignoselulosa Sebagai Energi Terbarukan dengan Pendekatan Ekoefisiensi.
Dibimbing oleh Anas Miftah Fauzi, Djumali Mangunwidjaja, Sukardi.
RINGKASAN
Bioetanol merupakan energi terbarukan yang dikembangkan di Indonesia
sebagai substitusi bahan bakar fosil dalam bentuk gasohol yang merupakan
campuran bioetanol dan premium. Untuk mencapai target penggunaan gasohol
yaitu 5 % pada tahun 2016-2025 maka perlu digunakan bahan lignoselulosa
sebagai bahan baku produksi bioetanol. Limbah tanaman jagung merupakan
sumber lignoselulasa yang melimpah di Indonesia dan dapat digunakan sebagai
bahan baku produksi bioetanol. Komposisi limbah tanaman jagung terdiri dari
batang (83,28%), daun (7,02%), tongkol (4,49%) dan kelobot (4,72%). Sementara
itu, kandungan lignoselulosa biomassa tanaman jagung adalah selulosa
(41.31±7,32%), hemiselulosa (26,46±5,08%), lignin (19,44±5,56%), bahan
ekstraktif (4,61±0,18%) dan kadar air (12,39±2,39%).
Biokonversi lignoselulosa menjadi etanol melalui empat proses yaitu
perlakuan pendahuluan, sakarifikasi, fermentasi, dan pemurnian. Karakteristik
lignoselulosa yang tahan terhadap bahan kimia dan enzim menyebabkan biaya
tinggi pada proses produksi. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan
pengembangan proses produksi melalui perbaikan perlakuan pendahuluan,
sakarifikasi dan fermentasi dengan mempertimbangkan kepentingan aspek
ekonomi dan lingkungan (ekoefisiensi). Perlakuan pendahuluan dilakukan dengan
cara delignifikasi dan hidrotermolisis, sakarifikasi menggunakan enzim selulase
dan xilanase, serta fermentasi memakai kultur campuran. Dua alternatif proses
delignifikasi dikaji yaitu kemodelignifikasi menggunakan Ca(OH)2 dan
biodelignifikasi dengan jamur pelapuk putih Trametes versicolor, Pleurotus
ostretus dan Panerochaeta crysosporium. Untuk proses fermentasi digunakan dua
kultur campuran yaitu Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis serta
Zymomonas mobilis dan Pichia stipitis. Kombinasi perlakuan pendahuluan,
sakarifikasi dan fermentasi menghasilkan lima rancangan proses produksi yang
kemudian dievaluasi berdasarkan rendemen, kelayakan ekonomi, dan dampak
lingkungannya.
Perlakuan pendahuluan secara kimiawi menghasilkan substrat yang lebih
baik dibandingkan cara biologis. Kondisi proses perlakuan pendahuluan kimiawi
yang terbaik adalah penambahan 0,075 g Ca(OH)2/g biomas dan 6,25 ml air/g
biomas, suhu pemanasan 69,61 OC dengan waktu 2 jam. Substrat yang dihasilkan
mengandung selulosa 37,01% dan hemiselulosa 24,88%, sedangkan lignoselulosa
yang terlarut ke fraksi cairan masih berbentuk oligosakarida dengan derajat
polimerisasi sekitar 4,0. Perlakuan lebih lanjut yaitu hidrotermolisis pada suhu
121 OC selama 1 jam dan suhu 180-190 OC selama 20 menit dapat memperbaiki
struktur substrat dengan kandungan selulosa 42,68 % dan hemiselulosa 34,34 %.
Konversi substrat lignoselulosa menjadi etanol dilakukan dengan teknik
sakarifikasi dan ko-fermentasi simultan (SKFS). Hasil terbaik terjadi pada proses
SKFS dengan enzim kasar baik selulase maupun xilanase dan kultur campuran Z.
mobilis dan stipitis. SKFS dilakukan pada suhu 32 OC selama 48 jam, sedangkan
distilasi ditentukan berdasarkan perhitungan. Proses produksi tersebut
menghasilkan etanol dengan konsentrasi 43,08 g/l , sedangkan rendemennya
sebesar 0,124 kg etanol per kg biomassa tanaman jagung.
Berdasarkan hasil rancangan terbaik maka dikembangkan proses produksi
etanol dengan kapasitas 1000 L/hari. Untuk menjalankan proses produksi tersebut
diperlukan energi sebesar 44.154 MJ etanol yang terdiri dari energi untuk
pengangkutan bahan baku, energi untuk proses produksi, dan energi utilitas. Ada
tiga jenis sumber energi yang dipakai yaitu bahan bakar fosil (premium), energi
listrik dan limbah padat. Total kebutuhan energi untuk proses produksi yaitu
44.504 MJ, sedangkan Net Energy Ratio (NER) bernilai positif yaitu 5,60 dan Net
Energy Gain (NEG) sebesar 16.629 MJ. Akibat penggunaan energi adalah
timbulnya polutan terutama jenis gas rumah kaca yaitu CO2 (21,93 kg/L etanol),
N2O (0,00003 kg/L etanol), dan CH4 (0,0000002 kg/L etanol). Dengan demikian,
potensi gas rumah kaca sebagai bentuk dampak lingkungan sebesar 6.578 ton
CO2-eq per tahun. Selain itu, proses produksi etanol dari lignoselulosa masih
membutuhkan sumber daya air yang banyak yaitu 114,08 L/L etanol.
Selanjutnya, analisis teknoekonomi menunjukkan bahwa investasi yang
diperlukan untuk produksi 1000 L/hari adalah Rp 1.891.508.861,00, modal kerja
sebesar Rp 466.230.891,00, dan biaya produksi Rp 2.797.385.287,00 per tahun.
Jika harga etanol ditentukan Rp 13.000,00 per liter maka keuntungan bersih yang
diperoleh adalah Rp 552.272.625,00. Proses produksi yang dirancang layak untuk
dijalankan karena memiliki nilai NPV positif yaitu Rp 957.794.280,00, serta IRR
19,29% dan masih di atas suku bunga 12%, dan waktu pengembalian atau PBP
selama 4,96 tahun. Analisis sensitivitas menunjukkan bahwa kenaikan harga
enzim sebesar 12,62% atau penurunan harga etanol 7,5% menyebabkan industri
tidak layak secara financial. Harga etanol minimum agar proses produksi layak
dilakukan adalah Rp 11.359,00 per liter etanol.
Dari lima rancangan proses produksi dapat diketahui bahwa perbaikan
teknologi berpengaruh terhadap nilai ekoefisiensinya. Perbedaan intensitas
penggunaan bahan baku antara proses produksi terbaik dan terburuk adalah
23.616 kg/L. Dengan intensitas penggunaan bahan baku 7.881 kg/L, menimbulkan
dampak lingkungan setara dengan 248,68 ton CO2-eq sehingga nilai ekoefsiensi
adalah Rp 7.483,21/ton CO2-eq. Jika harga CO2 sebesar Rp 270.000 per ton CO2
(basis tahun 2020) maka rasio nilai tambah dan dampak lingkungan atau nilai
ekoefisiensinya menjadi 0,032. Demikian juga intensitas penggunaan energi untuk
produksi etanol dari lignoselulosa tanaman jagung adalah 44,15 MJ/L etanol.
Dengan demikian, untuk mendapatkan nilai tambah sebesar Rp 1,00 pada proses
produksi ini diperlukan energi sebesar 0,020 MJ. Peningkatan ekoefisiensi juga
dilakukan dengan pemanfaatan limbah padat sebagai sumber energi untuk proses
produksi etanol. Pemanfaatan tersebut dapat mengurangi biaya produksi dan
menekan emisi gas rumah kaca.
Kata kunci : limbah tanaman jagung, bioetanol, lignoselulosa, energi, ekoefisiensi
@ Hak Cipta milik IPB, tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
yang wajar IPB. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau
seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
RANCANG BANGUN PROSES PRODUKSI
BIOETANOL DARI LIGNOSELULOSA SEBAGAI
ENERGI TERBARUKAN DENGAN
PENDEKATAN EKOEFISIENSI
WAGIMAN
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tertutup
Hari/Tangal : Rabu/23 Nopember 2011
1.
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS (Guru Besar Departemen Kimia, IPB)
2.
Prof. Dr. Ir. Erliza Noor (Guru Besar Departemen Teknologi Industri
Pertanian, IPB)
Penguji Luar Komisi pada Ujian Terbuka
Hari/Tangal : Kamis/05 Januari 2012
1.
Prof. Dr. Ir. Endang Gumbira Sa’id, MA. Dev (Guru Besar Departemen
Teknologi Industri Pertanian, IPB)
2.
Prof. Dr. Endang Sukara (Wakil Kepala Lembaga Ilmu Pengetahuan
Indonesia)
Judul Disertasi
Nama
NRP
: Rancang Bangun Proses Produksi Bioetanol dari
Lignoselulosa Sebagai
Energi Terbarukan dengan
Pendekatan Ekoefisiensi
: Wagiman
: F361070061
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir. Anas Miftah Fauzi, M. Eng.
Ketua
Prof. Dr. Ir. Djumali Mangunwidjaja, DEA
Anggota
Dr. Ir. Sukardi, MM
Anggota
Mengetahui
Ketua Program Studi
Teknologi Industri Pertanian
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. Machfud, MS
Dr. Ir. Dahrul Syah, M. Sc.Agr.
Tanggal Ujian : 05 Januari 2012
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Alloh SWT atas segala
karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak Juli 2009 sampai Juli 2011 adalah
energi terbarukan. Judul disertasi yaitu Rancang Bangun Proses Produksi
Bioetanol dari Lignoselulosa Sebagai Energi Terbarukan dengan Pendekatan
Ekoefisiensi.
Sebagian dari disertasi ini telah diterbitkan pada jurnal terakreditasi yaitu
Agritech Vol. 31, No. 2, tahun 2011. Publikasi juga dilakukan melalui prosiding
seminar internal IPB, seminar nasional APTA, dan simposium Agroindustri IV.
Terima kasih dan penghargaan yang setingi-tingginya penulis ucapkan
kepada yang terhormat :
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Anas Miftah Fauzi, M. Eng selaku ketua komisi
pembimbing, Bapak Prof. Dr. Ir. Djumli Mangunwidjaja, DEA dan Bapak Dr.
Ir. Sukardi, MM selaku anggota komisi pembimbing yang telah banyak
memberikan bimbingan dan saran dalam penyusunan disertasi.
2. Ibu Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS dan Ibu Prof. Dr. Ir. Erliza Noor, MS
yang telah berkenan menjadi penguji luar komisi pada ujian tertutup, serta
memberikan evaluasi dan masukan-masukannya.
3. Bapak Prof. Dr. Ir. Endang Gumbira Sa’id, MA. Dev dan Prof. Dr. Endang
Sukara yang telah berkenan menjadi penguji luar komisi pada ujian terbuka,
serta memberikan evaluasi dan masukan-masukannya.
4. Bapak Dr. Eng. Taufiq Djatna, STP, MS sebagai wakil Program Studi
Teknologi Industri Pertanian pada ujian tertutup dan Bapak Dr. Ir. Machfud,
MS sebagai Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian, yang telah
memberikan koreksi dan masukan-masukan pada ujian terbuka.
5. Staf dan teknisi laboratorium di Departemen TIN IPB dan rekan-rekan
mahasiswa S1, S2 dan S3 yang telah bekerja sama selama pengumpulan data.
6. Keluarga : Orang tua (Ny. Kastawiyana), Istri (Suyanti), Anak (Ayu Puspita
Pertiwi AR, Afif Ridwan Kusuma AR, Adnan Kusuma Firdaus AR), saudara
(kel Susiyah, S. Sos, kel Margilan, A. Md) atas dukungannya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat baik bagi penulis sendiri maupun para
pemerhati energi terbarukan.
Bogor, 05 Januari 2012
Wagiman
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kulon Progo pada tanggal 12 Mei 1967 sebagai anak
pertama dari pasangan Kastawiyana (Alm) dan Ngatiyah. Pendidikan sarjana
ditempuh di Jurusan Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Pertanian, UGM, lulus
pada tahun 1993. Pada tahun 1998, penulis diterima di Program Studi Teknologi
Industri Pertanian pada Program Pascasarjana IPB dan menamatkannya pada
tahun 2001. Kesempatan untuk melanjutkan ke program doktor pada program
studi dan perguruan tinggi yang sama diperoleh pada tahun 2007. Beasiswa
pendidikan pascasarjana diperoleh dari Departemen Pendidikan Republik
Indonesia.
Pada tanggal 10 Agustus 1996, penulis menikah dengan Suyanti dan telah
dikarunia tiga anak yaitu Ayu Puspita Pertiwi AR, Afif Ridwan Kusuma AR,
Adnan Kusuma Firdaus AR.
Penulis bekerja sebagai Dosen di Fakultas Teknologi Pertanian UGM
sejak tahun 1995. Bidang keahlian yang menjadi tanggung jawab penulis adalah
teknik dan manajemen limbah industri dan produk samping.
Karya ilmiah berjudul Biokonversi Limbah Tanaman Jagung Menjadi
Bioetanol Melalui Sakarifikasi dan Ko-Fermentasi Simultan (SKFS)
Menggunakan Enzim kasar dan Biakan Campuran telah disajikan pada Seminar
Nasional Asosiasi Profesi Teknologi Agroindustri (APTA). Sebuah artikel telah
diterbitkan dengan judul Efek Perlakuan Kimiawi dan Hidrotermolisis pada
Biomas Tanaman Jagung (Zea mays L.) sebagai Substrat Produksi Bioetanol pada
jurnal Agritech volume 31, No. 2, Tahun 2010, halaman 146-152.
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ......................................................................................................... xv
DAFTAR TABEL................................................................................................ xvii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xviii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xix
I
PENDAHULUAN ........................................................................................... 1
Latar Belakang ................................................................................................. 1
Perumusan Masalah ......................................................................................... 3
Tujuan Penelitian ............................................................................................. 4
Ruang Lingkup ................................................................................................. 4
Kerangka Pemikiran ......................................................................................... 4
Daftar Pustaka .................................................................................................. 7
II
PERLAKUAN KIMIAWI, BIOLOGIS DAN HIDROTERMOLISIS PADA
BIOMASSA TANAMAN JAGUNG SEBAGAI SUBSTRAT PRODUKSI
BIOETANOL ................................................................................................... 9
Abstrak ............................................................................................................. 9
Pendahuluan ................................................................................................... 10
Metode Penelitian .......................................................................................... 12
Hasil dan Pembahasan ................................................................................... 16
Simpulan dan Saran ....................................................................................... 29
Daftar Pustaka ................................................................................................ 30
III PRODUKSI BIOETANOL MELALUI SAKARIFIKASI DAN KOFERMENTASI SIMULTAN (SKFS) MENGGUNAKAN KULTUR
CAMPURAN ................................................................................................. 47
Abstrak ........................................................................................................... 47
Pendahuluan ................................................................................................... 48
Metode Penelitian .......................................................................................... 50
Hasil dan Pembahasan ................................................................................... 53
Simpulan dan Saran ....................................................................................... 68
Daftar Pustaka ................................................................................................ 69
IV PENILAIAN DAUR HIDUP RODUKSI BIOETANOL DARI BIOMASSA
TANAMAN JAGUNG................................................................................... 77
Abstrak ........................................................................................................... 77
Pendahuluan ................................................................................................... 78
Metode Penelitian .......................................................................................... 79
Hasil dan Pembahasan ................................................................................... 82
Simpulan dan Saran ....................................................................................... 93
Daftar Pustaka ................................................................................................ 94
V
ANALISIS TEKNOEKONOMI PRODUKSI BIOETANOL DARI
BIOMASSA TANAMAN JAGUNG ........................................................... 101
Abstrak ......................................................................................................... 101
Pendahuluan ................................................................................................. 102
Metode Penelitian ........................................................................................ 103
Hasil dan Pembahasan ................................................................................. 106
Simpulan dan Saran ..................................................................................... 116
Daftar Pustaka .............................................................................................. 117
VI PEMBAHASAN UMUM ............................................................................ 127
Pendahuluan ................................................................................................. 127
Rancangan Proses produksi ......................................................................... 129
Ekoefisiensi pada Proses Produksi Bioetanol .............................................. 130
Indikator Ekoefisiensi .................................................................................. 131
Penggunaan etanol sebagai bahan bakar dan dampak lingkungannya ......... 135
Simpulan dan Saran ..................................................................................... 135
Daftar Pustaka .............................................................................................. 136
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Nilai faktor perlakuan kimiawi berdasarkan CCD empat faktor ................... 15
Nilai faktor perlakuan biologis berdasarkan CCD dua faktor........................ 15
Komposisi biomassa tanaman jagung (% bobot kering) ................................ 17
Kendala untuk optimasi perlakuan kimiawi.................................................. 19
Model prediksi hasil biodelignifikasi ............................................................. 23
Kondisi optimum perlakuan biodelignifikasi ................................................. 24
Pemilihan metode perlakuan pada biomassa tanaman jagung ....................... 25
Komposisi lignoselulosa sebelum dan setelah perlakuan .............................. 26
Kristalinitas biomassa sebelum dan setelah perlakuan hidrotermolisis ......... 27
Rancangan proses sakarifikasi dan ko-fermentasi simultan (SKFS) ............. 52
Biomassa hasil SKFS I dan SKFS V selama 96 jam. .................................... 62
Perbandingan parameter akhir hasil fermentasi ............................................. 63
Perubahan massa sel selama proses SKFS ..................................................... 65
Pemilihan rancangan SKFS ........................................................................... 67
Komponen masukan dan keluaran pada proses produksi bioetanol .............. 83
Konversi pada lima rancangan proses produksi bioetanol ............................. 85
Perbandingan kebutuhan energi pada setiap rancangan ................................. 88
Sumber energi dan kebutuhan bahan bakar ................................................... 89
Nilai NER dan NEG untuk rancangan proses produski R1 s.d R5 ................ 90
Basis perhitungankapasistas peralatan untuk produksi etanol ..................... 107
Hasil etanol pada lima rancangan proses produksi ...................................... 109
Biaya investasi produksi etanol dengan limbah tanaman jagung ................ 109
Biaya untuk produksi etanol 300.000L/tahun .............................................. 110
Perkiraan keuntungan bersih selama 15 tahun ............................................. 111
Perkiraan arus kas selama 15 tahun ............................................................. 112
Sensitivitas NPV, IRR, dan PBP pada perubahan harga enzim ................... 115
Sensitivitas NPV, IRR, dan PBP pada perubahan harga etanol ................... 116
Rancangan proses produksi etanol dari lignoselulosa.................................. 129
Intensitas penggunaan bahan baku dan dampak lingkungan ....................... 132
Intensitas penggunaan sumber daya air ....................................................... 134
Intensitas penggunaan energi ....................................................................... 134
Hasil uji emisi mobil dalam menggunakan gasohol dan premium .............. 135
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Kerangka pemikiran konseptual penelitian ...................................................... 6
Tahap-tahap perlakuan pada biomassa tanaman jagung ................................ 12
Biomassa limbah tanaman jagung setelah pengecilan ukuran ....................... 16
SEM biomassa sebelum dan setelah perlakuan kimiawi ............................... 20
Bentuk kapang pelapuk putih......................................................................... 21
Pertumbuhan jamur pelapuk putih (perbesaran 1000 kali) ............................ 22
Dampak biodelignifikasi dengan kapang pelapuk putih ................................ 25
Pengaruh perlakuan kimiawi dan hidrotermolisis pada struktur mikrokopik
biomassa ......................................................................................................... 29
Proses produksi bioetanol dari lignoselulosa (sumber : Balat et al. 2007) .... 48
Proses produksi bioetanol dari lignoselulosa tanaman jagung ...................... 52
Kurva pertumbuhan Z. mobilis dan P.stipitis................................................. 53
Uji kemampuan kultur campuran ................................................................... 54
Perubahan kadar gula total dan gula pereduksi selama SKFS ....................... 56
Pertumbuhan biomassa sel mikroba selama sakarifikasi dan ko-fermentasi
simultan .......................................................................................................... 57
Pertumbuhan mikroba dan penurunan substrat .............................................. 57
Konsentrasi etanol selama sakarifikasi dan fermentasi simultan ................... 59
Perubahan kadar gula pereduksi selama SKFS (R2) ..................................... 60
Hasil etanol pada sakarifikasi dan fermentasi simultan ................................. 61
Perubahan konsentrasi gula selama SKFS ..................................................... 65
Hasil SKFS menggunakan enzim kasar ......................................................... 66
Rancangan proses produksi etanol dari lignoselulosa.................................... 68
Kerangka kerja metodologi LCA (Azapagic 2006) ....................................... 79
Neraca massa unntuk rancangan R1 (enzim murni, Z. mobilis dan P. stipitis)
........................................................................................................................ 86
Kebutuhan energi untuk setiap rancangan ..................................................... 87
Emisi polutan dari proses produksi bietanol .................................................. 92
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Metode pengujian komponen lignoselulosa : Mokushitsu Kagaku Jiken
Manual ........................................................................................................... 34
Rancangan percobaan untuk perlakuan biologis ............................................ 37
Rancangan percobaan untuk perlakuan kimiawi dan hasilnya ...................... 38
Hasil uji kecukupan model untuk delignifikasi kimiawi ............................... 39
Perubahan komposisi lignoselulosa setelah perlakuan pendahuluan ............. 43
Hasil uji kristalinitas dengan Diffractometer XRD-700 ................................. 44
Prosedur analisa parameter fermentasi .......................................................... 72
Pertumbuhan Z. mobilis dan P. stipitis .......................................................... 74
Produksi etanol dari substrat campuran glukosa dan xilosa .......................... 74
Konsentrasi gula pereduksi dan produksi etanol............................................ 75
Pemilihan rancangan proses produksi terbaik berdasarkan konsentrasi etanol,
rendemen dan waktu fermentasi .................................................................... 76
Kebutuhan energi untuk pengangkutan bahan baku biomassa tanaman jagung
dari sumbernya ke industri etanol .................................................................. 98
Perincian kebutuhan energi selama daur hidup produksi etanol 1000 L ....... 99
Perhitungan potensi gas rumah kaca dengan perangkat lunak Greenhouse Gas
Calculator (UN 2009) .................................................................................... 99
Dasar perhitungan teknoekonomi ................................................................ 120
Perincian biaya investasi .............................................................................. 120
Perincian biaya untuk produksi etanol dari lignoselulosa ............................ 121
Perhitungan biaya depresiasi........................................................................ 122
Perincian perhitungan laba-rugi selama 15 tahun ........................................ 123
Analisis sensitivitas perubahan harga etanol, harga enzim, dan harga bahan
baku .............................................................................................................. 126
I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Bioetanol merupakan energi terbarukan yang dikembangkan di Indonesia
sebagai substitusi bahan bakar fosil jenis premium. Model substitusi berupa
gasohol yang merupakan campuran bioetanol dan premium E-3 dan E-5 (Nurianti
2008). Keuntungan penggunaan gasohol adalah mengurangi penggunaan bahan
bakar tidak terbarukan, mengurangi gas rumah kaca, memiliki keseimbangan
energi yang positif, membentuk kemandirian energi, dan mengurangi kemiskinan
(Kim dan Dale 2007, Nguyen et al. 2007, Zhang et al. 2003).
Target penggunaan gasohol tahun 2011-2015 sebesar 3 % dari konsumsi
bensin dan ditingkatkan menjadi 5 % pada periode tahun 2016-2025. Pencapaian
target 5 % tersebut harus didukung dengan penelitian dan pengembangan bahan
lignoselulosa sebagai bahan baku produksi etanol dan bahan bakar (ESDM 2005).
Menurut Huang et al. (2008), bahan lignoselulosa untuk bahan baku etanol dapat
berasal dari limbah petanian, bahan berkayu dan limbahnya, rumput-rumputan,
dan limbah industri pulp dan kertas.
Kelebihan bahan lignoselulosa dari limbah pertanian dibandingkan dengan
bahan berpati atau bergula antara lain (Araque et al. 2008, Sierra et al. 2008, Balat
et al. 2007, Farrell et al. 2006, Kim dan Dale 2005) :
(1) Tidak terjadi kompetisi penggunaan lahan bahkan sinergis dengan kebutuhan
pangan dan pakan
(2) Proses budidaya cepat dengan produktivitas tinggi
(3) Tanaman lignoselulosa dapat tumbuh di banyak kondisi iklim dan sudah
sangat dikenal masyarakat
(4) Harga bahan lignoselulosa relatif lebih rendah
(5) Memiliki potensi besar mengurangi emisi gas rumah kaca
Olofsson et al. (2008) menyebutkan bahwa biomassa lignoselulosa atau bahan
bioetanol generasi kedua memiliki kelebihan dibandingkan dengan bahan generasi
pertama ditinjau dari sudut pandang lingkungan dan energi.
Tanaman jagung merupakan salah satu limbah pertanian yang berpotensi
sebagai sumber bahan lignoselulosa. Luas budidaya tanaman jagung di Indonesia
2
menunjukkan peningkatan yaitu dari 3.358.211 ha pada tahun 2003 menjadi
4.003.313 ha tahun 2008 yang tersebar di 30 propinsi di Indonesia (BPS 2009).
Selain jagung pipil, usaha budidaya tanaman jagung menghasilkan limbah berupa
corn stover yang terdiri dari tongkol (15 %), daun (22 %), dan batang jagung (50
%) (Hettenhaus 2002).
Limbah tanaman jagung dimanfaatkan sebagai pakan
ternak, bahan bakar (langsung), dan sebagian besar tidak termanfaatkan. Padahal
biomassa tanaman jagung memiliki komposisi selulosa (36,6 %), hemiselulosa
(22,6 %), dan lignin (16,6) (Wiselogel et al. 1996) sehingga dapat digunakan
sebagai bahan baku bioetanol. Keuntungan pemanfaatan biomassa tersebut antara
lain meningkatkan pendapatan petani, menjaga ketahanan energi, memiliki
sinergitas dengan kebutuhan pangan dan pakan, dan mencegah pencemaran
lingkungan.
Ketersediaan bahan lignoselulosa yang melimpah belum diikuti dengan
pertumbuhan industri bioetanol karena beberapa kendala terutama teknologi
(Chandel et al. 2007). Kendala teknologi yang menyebabkan biaya produksi
bioetanol dari lignoselulosa menjadi sangat tinggi yaitu perlakuan pendahuluan
biomassa, hidrolisis enzimatik, fermentasi C-5, optimasi proses dan pemanfaatan
bahan sisa (van Zessen et al. 2003, Moiser et al. 2005, Huang et al. 2008).
Struktur lignoselulosa yang kuat menyebabkan hidrolisis menjadi gula sederhana
lebih sulit dilakukan dibanding bahan dari pati (Öhgren et al. 2007).
Penggunaan bahan kimia, kondisi proses pada suhu tinggi, dan keberadaan
limbah dari produksi bioetanol berpotensi memberikan dampak negatif terhadap
lingkungan. Hal tersebut bertentangan dengan tujuan penggunaan bioetanol
sebagai bahan bakar yang bertujuan untuk memperbaiki kualitas lingkungan.
Untuk itu, pengembangan teknologi proses produksi bioetanol harus memenuhi
beberapa kriteria yaitu tambahan energi total, keuntungan lingkungan, kompetitif
secara ekonomi, dapat diproduksi dalam jumlah besar tanpa bersaing dengan
pangan (Hill et al. 2006). Aspek lingkungan menjadi sangat penting karena
pengolahan sumber daya terbarukan menjadi bahan bakar dapat menimbulkan
polusi air, udara dan tanah (Brown 2003).
Dalam rangka mengembangkan proses produksi etanol dari lignoselulosa
maka di dalam penelitian dikaji perbaikan proses produksi melalui konsep
3
produksi bersih. Perancangan proses produksi tersebut mengintegrasikan aspek
teknis, ekonomis, dan lingkungan. Perpaduan tiga sudut pandang tersebut
merupakan konsep dasar ekoefisiensi yang dikembangkan oleh World Business
Council for
Sustainable Development (WBCSD) sejak tahun 1996. Analisis
ekoefisiensi digunakan untuk mempelajari siklus hidup produk “from crandle to
grave” yang dalam penelitian ini pada batas dari penyediaan biomassa
lignoselulosa sampai diperoleh etanol untuk bahan bakar. Output penelitian adalah
rancangan proses produksi etanol dari lignoselulosa dan evaluasi ekoefisiensinya.
Outcome yang diharapkan adalah akselerasi pertumbuhan industri dalam
mendukung penyediaan energi terbarukan yang berkelanjutan dan ramah
lingkungan.
Perumusan Masalah
Keberlanjutan pengembangan bioetanol sebagai energi terbarukan
memerlukan tiga pilar yaitu ketersediaan bahan baku, manfaat
stakeholders,
dan
dampak
positif
terhadap
lingkungan.
pembangunan industri bioetanol berbasis bahan baku lokal
ekonomis bagi
Dalam
rangka
Indonesia maka
permasalahan yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah :
a
Bagaimana memodifikasi proses produksi bioetanol dari bahan baku
biomassa tanaman jagung dengan menekan penggunaan bahan kimia
berbahaya, pencegahan atau pengurangan limbah dan pemanfaatan produk
samping maupun limbah proses produksi tersebut.
b
Bagaimana dampak lingkungan yang ditimbulkan dari aktivitas penyediaan
bahan baku dan perubahan proses produksi bioetanol berbasis bahan
lignoselulosa.
c
Bagaimana keseimbangan energi total dari modifikasi proses produksi
bioetanol berbahan baku lignoselulosa.
d
Bagaimana perubahan teknologi di atas dapat meningkatkan nilai tambah
bioetanol yang pemanfaatannya sebagai energi terbarukan.
e
Bagaimana proses produksi bioetanol berdasarkan konsep ekoefisiensi yang
mengintegrasikan kepentingan ekonomi dan lingkungan.
4
Tujuan Penelitian
Berdasarkan rumusan masalah di atas maka tujuan yang ingin dicapai di
dalam penelitian ini adalah :
a
Mendapatkan kondisi proses perlakuan pendahuluan terhadap biomassa dan
produksi etanol dari lignoselulosa menggunakan kultur campuran.
b
Mendapatkan
rancangan
proses
produksi
bioetanol
berbahan
baku
lignoselulosa dengan introduksi teknologi produksi bersih.
c
Mendapatkan rancangan proses produksi bioetanol yang sudah mempertimbangkan aspek teknoekonomi dan ekologi.
d
Menentukan nilai ekoefisiensi proses produksi bioetanol dari bahan
lignoselulosa.
Ruang Lingkup
Pencapaian tujuan penelitian dilakukan di dalam ruang lingkup yang
meliputi sebagai berikut :
a
Bahan lignoselulosa berasal dari limbah tanaman jagung yang ditanam di
Indonesia tanpa membedakan jenis atau varietasnya dengan kandungan
komponen lignin, selulosa, hemiselulosa, dan bahan ekstraktif tertentu.
b
Proses produksi bioetanol mencakup perlakuan pendahuluan (kimiawi-panas,
biologis), hidrolisis enzimatik, sakarifikasi dan fermentasi simultan, serta
distilasi dan dehidrasi.
c
Analisis teknoekonomi dan analisis daur hidup dilakukan pada batas
penyediaan bahan baku dan proses produksi bioetanol. Analisis teknoekonomi mencakup penghitungan investasi, kelayakan finansial, analisis
sensitivitas, sedangkan analisis daur hidup meliputi penggunaan energi fosil
dan non fosil, penggunaan air, penggunaan bahan kimia, polutan pada limbah
cair (COD), dan limbah padat.
d
Rancangan proses produksi bioetanol dari lignoselulosa untuk bahan bakar
dinyatakan dalam bentuk diagram.
Kerangka Pemikiran
Penelitian dimaksudkan untuk mendapatkan proses produksi bioetanol dari
lignoselulosa yang dapat meningkatkan nilai tambah dan ramah lingkungan.
5
Peningkatan produksi bioetanol dilakukan dengan fermentasi baik gula dalam
bentuk heksosa maupun pentosa. Oleh karena itu, pada tahap perlakuan
pendahuluan terhadap biomassa dirancang sehingga gula heksosa maupun pentosa
tidak terurai lebih lanjut. Demikian juga proses fermentasi dikembangkan untuk
dapat mengkonversi kedua jenis gula menjadi bioetanol dengan menggunakan
Saccharomyces cereviceae, Pichia stipitis dan Zymomonas mobilis.
Penerapan produksi bersih dalam penelitian meliputi penggunaan bahan
kimia (basa lemah) Ca(OH)2, pemanfaatan hemiselulosa, daur ulang air dan CO2,
dan pemanfaatan limbah padat. Inti dari rancangan proses produksi bioetanol
adalah penyisihan lignin, pengambilan hemiselulosa, dekristalisasi selulosa,
pemecahan polisakarida menjadi gula, konversi gula menjadi etanol, dan
purifikasi etanol.
Pengembangan teknologi produksi bioetanol diharapkan menghasilkan
teknologi yang memiliki kelayakan ekonomi dan memberikan dampak negatif
yang lebih kecil terhadap lingkungan. Untuk itu, indikator ekoefisiensi yang
mengakomodasi aspek ekonomi dan aspek lingkungan digunakan untuk menilai
hasil rancangan. Oleh karena itu, penelitian dibagi menjadi lima bagian sebagai
berikut :
1
Fraksinasi komponen lignoselulosa dengan cara delignifikasi baik secara
kimia maupun biologi dan hidrotermolisis. Hasil yang diharapkan dari tahap
ini adalah substrat yang lebih mudah dihidrolisis dengan enzim.
2
Sakarifikasi enzimatik dan fermentasi gula dari kelompok heksosa maupun
pentosa
secara simultan. Hasil yang diharapkan yaitu terkonversinya
lignoselulosa menjadi etanol dengan rendemen yang tinggi.
3
Analisis daur hidup produk etanol dari lignoselulosa dengan tujuan
mengidentifikasi dan memprediksi kesetimbangan energi dan dampak
lingkungan yang ditimbulkan dari proses produksi etanol.
4
Analisis teknoekonomi yang bertujuan untuk menilai kelayakan secara
finansial dari rancangan proses produksi yang dibuat serta membuat skenario
perbaikan proses produksi dari aspek ekonomi.
5
Penentuan nilai ekoefisiensi proses produksi etanol dari lignoselulosa dengan
mengintegrasikan aspek lingkungan dan ekonomi (Gambar 1).
6
LIGNOSELULOSA
Selulosa
Hemiselulosa
Lignin
Ca(OH)2
Hidrotermal II
Hidrotermal I
Delignifikasi
White-rot
fungi
Sakarifikasi : enzimatik
Glukosa
Zimonas mobilis +
Pichia stipitis
Xilosa
Fermentasi
Lignin
Saccharomyces
cereviceae + Pichia
stipitis
ETANOL
Penggandaan skala
Life cycle economic
assessment
Proses
produksi
Bioetanol
SISTEM PRODUKSI
BIOETANOL
life cycle
assessment
Gambar 1 Kerangka pemikiran konseptual penelitian
Energi
7
Daftar Pustaka
Araque E et al. 2008. Evaluationof organosolv pretreatment for conversion of
Pinus radiata D. Don to ethanol. Enzyme and Microbial Technology 43 :
214-219.
Balat M, Balat H, Öz C. 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in
Energy and Combustion Science 34 (5):551-573.
[BPS] Badan Pusat Statistik. 2009. Luas, produksi, produktivitas jagung secara
nasional. www.bps.go.id
Brown RC. 2003. Biorenewable Resources : Engineering New products from
Agriculture. USA : Iowa State Press.
Chandel AK et al. 2007. Economics and environmental impact of bioethanol
production technologies : an appraisal. Biotechnol Mol Biol Rev 2:14-32
[ESDM] Energi dan Sumber Daya Mineral. 2005. Blueprint Pengelolaan Energi
nasional 2005-2025, Jakarta.
Farrell AE, Plevin RJ, Turner BT, Jones AD, O’Hare M, Kammen DM. 2006.
Ethanol can contribute to energy and environmental goals. Science 311:
506-508.
Hettenhaus J. 2002. Talking About Corn Stover with Jim Hettenhaus. The
Carbohydrate Economy Vol. 4 No. 2.
Hill J, Nelson E, Tlman D, Polasky S, Tiffany D. 2006. Environmental, economic,
and energetic costs and benefits of biodiesel and ethanol biofuels.
www.pnas.org./cgi/doi/10.1073/pnas. 0604600103, pp. 11206-11210.
Huang H-J, Ramaswamy S, Al-Dajani W, Tschirner U, Cairncross RA. 2008.
Effect of biomass species and plant size on cellulosic ethanol : A coparative
process and economic analysis. Biomass and Bioenergy, in press.
Kim S, Dale BE. 2005. Life Cycle Assessment of various cropping systems
utilized for producing biofuels : bioethanol and biodiesel. Biomass and
Bioenergy 29 :426-439.
Kim S, Dale BE. 2007. Life Cycle Assessment of fuel ethanol derived from corn
grain via dry milling. Bioresource Technology, in pres.
Mosier N et al.. 2005. Features of promising technologies for pretreatment of
lignocellulosic biomass. Bioresource Technology 96:673–686.
8
Nguyen LT, Gheewala SH, Garivait S. 2007. Energy balance and GHG-abatement
cost of cassava utilization for fuel ethanol in Thailand. Energy Polycy 35:
4585-4596.
Nurianti Y. 2008. Potensi Pemakaian Bioetanol di Indoensia. Workshop Bisnis
Bioethanol Singkong, 29 April 2008, Bogor.
Öhgren K, J Vehmaanperä, M Siika-Aho, M Galbe, L Viikari, G Zacchi. 2007.
High
temperature
enzymatic
prehydrolysis
prior
to
simultaneous
saccharification and fermentation of steam pretreated corn stover for ethanol
production. Enzyme and Microbial Technology 40:607-613.
Olofsson K, M Bertilsson, G Lidén. 2008. A short review on SSF – an interesting
process option for ethanolproduction from lignocellulosic feedstocks.
Biotechnology for Biofuels 2008, 1:7, 1-14 doi:10.1186/1754-6834-1-7.
Sierra R, A Smith, C Grdana, MT Holtzapple. 2008. Producing fuels and
chemicals from lignocellulosic biomass. Sbe special edition : biofuels.
http://www.aiche.org/SBE/Publication/Articles.aspx, 27 Oktober 2008.
van Zessen E et al. 2003. Project report : Project number 6247-02-02-0110101/4700003401. Energy research Centre of the Netherland (ECN),
Belanda.
Wiselogel A, Tyson S, Johnson D. 1996. Biomass feedstock resources and
composition.In Handbook on bioethanol: Production and utilization. Edited
by: Wyman C. Taylor and Francis. [Applied energy technology series].
Zhang C, Han W, Jing X, Pu G, Wang C. 2003. Life cycle economic analysis of
fuel ethanol derived from cassava in southwest China. Renewable &
Sustainable Energy Review 7:353-366.
9
II PERLAKUAN KIMIAWI, BIOLOGIS DAN
HIDROTERMOLISIS PADA BIOMASSA TANAMAN
JAGUNG SEBAGAI SUBSTRAT PRODUKSI BIOETANOL
Chemical, Biological and Hydrothermolitical Pretreatment of Corn Stover
Biomass to Produce Substrate for Bioethanol Production
Abstract
The purpose of this research was to obtain substrate for saccharification
and fermentation with a high content of cellulose and hemicellulose, as well as to
decrease the cellulose crystalinity. Dried corn stover was crushed (2-10 mm) and
pretreated either chemically or biologically. First, Ca(OH)2 and water were
added to the biomass, then the mixture was heated at various temperature for 2, 3,
4 and 5 hours. After that, the biomass was inoculated by white-rot fungi Trametes
versicolor, Pleurotus ostretus dan Panerochaeta crysosporium. The appropriate
pretreatment methods were continued with hydrothermolysis for enhancing the
lignin removal and decreasing cellulose crystalinity. The suitable process
condition for chemical pretreatment was achieved at the loading of 0.075 g
Ca(OH)2/g biomass and 6.25 ml water/g biomass, temperature of 69,61 OC for 2
hours. Hydrothermolysis produced solid fraction that contained 42.68% of
cellulose and 34.68% of hemicellulose. The crystalinity of cellulose of the leaves,
cobs, and cornhusk decreased significantly after the pretreatment. The SEM
images of the pretreated materials indicated that the surface of the cell wall of
corn stover had been perforated by these pretreatment processes.
Keywords : corn stover, delignification, pretreatment, white-rot fungi, cellulose,
hemicelluloses
Abstrak
Tujuan penelitian adalah mendapatkan substrat fermentasi dengan
kandungan selulosa dan hemiselulosa tinggi serta menurunkan kristalinitas
selulosa. Biomassa tanaman jagung berukuran 2-10 mm diberi perlakuan dengan
cara : (1) kemodelignifikasi menggunakan Ca(OH)2 dan (2) biodelignifikasi
menggunakan jamur pelapuk putih Trametes versicolor, Pleurotus ostretus dan
Panerochaeta crysosporium. Hasil dari kedua metode delignifikasi dipilih yang
terbaik dan kemudian dilanjutkan dengan hidrotermolisis. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa metode yang lebih baik adalah kemodelignifikasi dengan
kondisi proses sebagai berikut : penambahan 0,075 g Ca(OH)2 /g biomassa dan
6,25 ml air/g biomassa, suhu pemanasan 69,61 OC dengan waktu dua jam. Setelah
hidrotermolisis, fraksi padatan memiliki komposisi selulosa 42.68 % dan
hemiselulosa 34.34 %. Perlakuan kemodelignifikasi juga menurunkan kristalinitas
selulosa dan menimbulkan pori-pori pada dinding sel biomassa tanaman jagung.
Kata kunci : limbah tanaman jagung, delignifikasi, perlakuan pendahuluan,
jamur pelapuk putih, selulosa, hemiselulosa
10
Pendahuluan
Biomassa tanaman jagung memiliki struktur lignoselulosa yang kuat
sehingga sulit dihidrolisis dengan enzim. Untuk meningkatkan aksesabilitas enzim
terhadap selulosa dan hemiselulosa maka lignoselulosa harus dipecah terlebih
dahulu. Pemecahan struktur lignoselulosa menjadi fraksi-fraksi komponen
selulosa, hemiselulosa dan lignin dapat dilakukan dengan metode fisikawi
(penggilingan, grinding, radiasi), kimiawi (alkali, asam, pengoksidasi, pelarut
organik), fisikokimia (autohidrolisis, hidrotermolisis dan oksidasi basah), dan
biologis (Galbe dan Zacchi 2007). Beberapa metode yang dinilai prospektif antara
lain perlakuan dengan asam encer, hidrotermolisis, ammonia fiber expansion
(AFEX), ammonia recycle percolation (ARP), dan lime ( Yang dan Wyman 2008,
Mosier et al. 2005).
Tujuan perlakuan terhadap biomassa adalah untuk menyiapkan substrat
fermentasi agar diperoleh bioetanol dalam jumlah yang layak dikomersialkan
(Mosier et al .2005, Wyman et al. 2005). Teknologi perlakuan yang ada masih
membutuhkan biaya sebesar 33 % dari total biaya proses karena faktor berikut :
proses lama, kebutuhan energi dan air yang besar, bahan aditif yang tidak ramah
lingkungan, dan menghasilkan inhibitor biologis yang menghambat fermentasi
(Reith et al. 2002, Brown 2003, Garrote et al. 2007, Teramoto et al. 2008). Oleh
karena itu, pengembangan teknologi proses penyiapan substrat fermentasi dengan
mengkombinasikan dua metode perlakuan diharapkan dapat memperbaiki
kelemahan-kelemahan tersebut. Hsu (1996) menjelaskan bahwa kombinasi
perlakuan terhadap biomassa lebih efektif dibandingkan dengan metode tunggal,
meskipun sering membutuhkan tambahan peralatan dan bahan kimia sehingga
menaikkan biaya produksi. Kriteria untuk menentukan efektivitas perlakuan
terhadap biomassa yaitu tingkat pembentukan gula, kemampuan mempertahankan
fraksi karbohidrat, pembentukan senyawa penghambat (inhibitory), kebutuhan
bahan kimia, pembentukan limbah, dan biaya prosesnya (Reith et al. 2002; Mosier
et al. 2005)
Perlakuan terhadap biomassa menggunakan kalsium hidroksida (Ca(OH)2)
merupakan metode yang efektif untuk perlakuan kimiawi karena dapat merusak
lignin, degradasi gula sedikit dan dapat diambil kembali dengan CO2 (Kaar dan
11
Holtzapple 2000). Kelebihan lainnya adalah suhu proses yang lebih rendah dan
dapat digunakan pada berbagai bahan hasil pertanian (Mosier et al. 2005). Dengan
demikian, penyiapan substrat dengan teknologi kimiawi memiliki prospek yang
baik untuk tujuan komersial (Kumar et al. 2009). Namun penggunaan Ca(OH)2
memiliki kelemahan yaitu tidak dapat memecah struktur kristal selulosa (Maas et
al. 2008).
Perlakuan biologis menggunakan kapang pelapuk putih (white-rot fungi)
juga
merupakan
metode
untuk
delignifikasi
lignoselulosa.
Keuntungan
penggunaan kapang pelapuk putih adalah efektif untuk meningkatkan akses enzim
ke selulosa pada serat dan limbah pertanian (Keller et al. 2003). Kapang pelapuk
putih yang potensial untuk biodelignifikasi antara lain Trametes versicolor,
Pleurotus ostreatus, dan Panerochaeta crysosporium. Kapang T.
versicolor
efektif untuk biodelignifikasi jerami (Ermawar 2005) dan bagas (Fitria et al. 2007,
Samsuri et al. 2007). Sementara itu, Stamets (2000) mengemukakan, bahwa
Pleurotus ostreatus merupakan pelapuk primer yang berkembang cepat,
perkembangan ujung miselium yang cepat akan mendekomposisi jaringan
tanaman. Penelitian yang dilakukan oleh Fadilah et al. (2008) menunjukkan
bahwa Phanerochaete chrysosporium mampu mendegradasi lignin sebanyak
81,40 % dan selulosa sebanyak 22,30% dengan waktu inkubasi selama 30 hari.
Perlakuan dengan Ca(OH)2 maupun biologis perlu dilanjutkan dengan
metode fisikokimia yaitu hidrotermolisis. Pengertian hidrotermolisis adalah
perlakuan terhadap bahan dengan menggunakan media air pada suhu tertentu (Xu
et al., 2009). Metode ini telah digunakan pada berbagai bahan seperti limbah
tanaman jagung (Mosier et al. 2005, Kim dan Lee 2005, Xu et al. 2009), Pinus
radiate (Araque et al. 2008), jerami gandum (Zhao et al. 2008), limbah rapeseed
(Lu et al. 2009).
Tujuan penelitian ini adalah membandingkan perubahan kimiawi maupun
struktur mikroskopik biomassa limbah tanaman jagung yang diberi perlakuan
kimiawi dengan Ca(OH)2 atau biologis dan kemudian dilanjutkan dengan
hidrotermolisis. Perubahan kimia meliputi delignifikasi, perubahan holoselulosa,
dan perubahan kristalinitas selulosa, sedangkan struktur mikroskopik melihat
d
BIOETANOL DARI LIGNOSELULOSA SEBAGAI
ENERGI TERBARUKAN DENGAN
PENDEKATAN EKOEFISIENSI
WAGIMAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Rancang Bangun Proses
Produksi Bioetanol dari Lignoselulosa Sebagai Energi Terbarukan dengan
Pendekatan Ekoefisiensi adalah karya saya dengan arahan dari komisi
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Januari 2012
Wagiman
NIP F361070061
ABSTRACT
WAGIMAN. 2012. Design of The Lignocellulosic Bioethanol Production as A
Source of Renewable Energy Using The Ecoefficiency Approach. Under direction
of Anas Miftah Fauzi, Djumali Mangunwidjaja, Sukardi.
Corn stover, as an agricultural residue, is one of the lignocellulosic
biomass abundantly available in Indonesia. It is an attractive material for
bioethanol fuel production. Conversion of lignocellulosic to ethanol consists of
four major unit operations: pretreatment, hydrolysis, fermentation and ethanol
purification. Biomass pretreatment is one of the main processing steps which
have significant contribution to the cost effectiveness of cellulosic biomass
conversion to ethanol. The purpose of this research was to elucidate the ethanol
production from lignocellulosic biomass through development of pretreatment
technology as well as simultaneous saccharification and co-fermentation (SSCF)
technology. The pretreatment consisted of the delignification using Ca(OH)2 and
two stages hydrothermolysis at 121 OC for one hour and at 180-190 OC for 20
minutes respectively, while the SSCF elaborated the use of cellulase and xylanase
enzymes for saccharification and the use of mixed culture fermentation. An
optimum process condition for chemical pretreatment was achieved at Ca(OH)2
loading of 0.075 g/g biomass and the use of 6.25 ml water/g biomass, heated at
69.61 OC for 2 hours. Hydrothermolysis produced solid fraction that contained
42.68% of cellulose and 34.68% of hemicellulose. The highest ethanol
concentration (43.08 g/l) was obtained after 48 hours of incubation. The energy
required for ethanol production was 44.154 MJ/L ethanol and the Net Energy
Ratio (NER) value was 5.60, while the water demand reached 114.08 L/L ethanol.
Consequently, this production system emitted CO2 (21.93 kg/L ethanol), N2O
(0.00003 kg/L ethanol), and CH4 (0.0000002 kg/L ethanol). The suitable design of
production process had a negative impact on global warming potential, because
the emitted greenhouse gas was 6.578 ton CO2-eq annually. The techno-economic
analysis showed that the investment needed to produce 1000 L ethanol per day
was Rp 1,891,508,861.00, with working capital of Rp 466,230,881.00 and
production costs of Rp 2,797,385,287.00 per year. The production was feasible
because its Net Present Value (NPV) value was Rp 957,794.270.00, the Internal
Rate of Return (IRR) was 19.29%, which was higher than interest rate 12%, and
the payback period was 4.96 years. With the raw materials intensity of 7,881 kg/L,
the environmental impact was equivalent to 248.68 tons of CO2-eq. If the price of
CO2 was Rp 270,000 per ton (based on 2020), then the ratio of value-added and
environmental impact, which called ecoefficiency value, was 0.032.
Keywords : corn stover, bioethanol, lignocellulose, energy, ecoefficiency
WAGIMAN. 2012. Rancang Bangun Proses Produksi Bioetanol dari
Lignoselulosa Sebagai Energi Terbarukan dengan Pendekatan Ekoefisiensi.
Dibimbing oleh Anas Miftah Fauzi, Djumali Mangunwidjaja, Sukardi.
RINGKASAN
Bioetanol merupakan energi terbarukan yang dikembangkan di Indonesia
sebagai substitusi bahan bakar fosil dalam bentuk gasohol yang merupakan
campuran bioetanol dan premium. Untuk mencapai target penggunaan gasohol
yaitu 5 % pada tahun 2016-2025 maka perlu digunakan bahan lignoselulosa
sebagai bahan baku produksi bioetanol. Limbah tanaman jagung merupakan
sumber lignoselulasa yang melimpah di Indonesia dan dapat digunakan sebagai
bahan baku produksi bioetanol. Komposisi limbah tanaman jagung terdiri dari
batang (83,28%), daun (7,02%), tongkol (4,49%) dan kelobot (4,72%). Sementara
itu, kandungan lignoselulosa biomassa tanaman jagung adalah selulosa
(41.31±7,32%), hemiselulosa (26,46±5,08%), lignin (19,44±5,56%), bahan
ekstraktif (4,61±0,18%) dan kadar air (12,39±2,39%).
Biokonversi lignoselulosa menjadi etanol melalui empat proses yaitu
perlakuan pendahuluan, sakarifikasi, fermentasi, dan pemurnian. Karakteristik
lignoselulosa yang tahan terhadap bahan kimia dan enzim menyebabkan biaya
tinggi pada proses produksi. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan
pengembangan proses produksi melalui perbaikan perlakuan pendahuluan,
sakarifikasi dan fermentasi dengan mempertimbangkan kepentingan aspek
ekonomi dan lingkungan (ekoefisiensi). Perlakuan pendahuluan dilakukan dengan
cara delignifikasi dan hidrotermolisis, sakarifikasi menggunakan enzim selulase
dan xilanase, serta fermentasi memakai kultur campuran. Dua alternatif proses
delignifikasi dikaji yaitu kemodelignifikasi menggunakan Ca(OH)2 dan
biodelignifikasi dengan jamur pelapuk putih Trametes versicolor, Pleurotus
ostretus dan Panerochaeta crysosporium. Untuk proses fermentasi digunakan dua
kultur campuran yaitu Saccharomyces cerevisiae dan Pichia stipitis serta
Zymomonas mobilis dan Pichia stipitis. Kombinasi perlakuan pendahuluan,
sakarifikasi dan fermentasi menghasilkan lima rancangan proses produksi yang
kemudian dievaluasi berdasarkan rendemen, kelayakan ekonomi, dan dampak
lingkungannya.
Perlakuan pendahuluan secara kimiawi menghasilkan substrat yang lebih
baik dibandingkan cara biologis. Kondisi proses perlakuan pendahuluan kimiawi
yang terbaik adalah penambahan 0,075 g Ca(OH)2/g biomas dan 6,25 ml air/g
biomas, suhu pemanasan 69,61 OC dengan waktu 2 jam. Substrat yang dihasilkan
mengandung selulosa 37,01% dan hemiselulosa 24,88%, sedangkan lignoselulosa
yang terlarut ke fraksi cairan masih berbentuk oligosakarida dengan derajat
polimerisasi sekitar 4,0. Perlakuan lebih lanjut yaitu hidrotermolisis pada suhu
121 OC selama 1 jam dan suhu 180-190 OC selama 20 menit dapat memperbaiki
struktur substrat dengan kandungan selulosa 42,68 % dan hemiselulosa 34,34 %.
Konversi substrat lignoselulosa menjadi etanol dilakukan dengan teknik
sakarifikasi dan ko-fermentasi simultan (SKFS). Hasil terbaik terjadi pada proses
SKFS dengan enzim kasar baik selulase maupun xilanase dan kultur campuran Z.
mobilis dan stipitis. SKFS dilakukan pada suhu 32 OC selama 48 jam, sedangkan
distilasi ditentukan berdasarkan perhitungan. Proses produksi tersebut
menghasilkan etanol dengan konsentrasi 43,08 g/l , sedangkan rendemennya
sebesar 0,124 kg etanol per kg biomassa tanaman jagung.
Berdasarkan hasil rancangan terbaik maka dikembangkan proses produksi
etanol dengan kapasitas 1000 L/hari. Untuk menjalankan proses produksi tersebut
diperlukan energi sebesar 44.154 MJ etanol yang terdiri dari energi untuk
pengangkutan bahan baku, energi untuk proses produksi, dan energi utilitas. Ada
tiga jenis sumber energi yang dipakai yaitu bahan bakar fosil (premium), energi
listrik dan limbah padat. Total kebutuhan energi untuk proses produksi yaitu
44.504 MJ, sedangkan Net Energy Ratio (NER) bernilai positif yaitu 5,60 dan Net
Energy Gain (NEG) sebesar 16.629 MJ. Akibat penggunaan energi adalah
timbulnya polutan terutama jenis gas rumah kaca yaitu CO2 (21,93 kg/L etanol),
N2O (0,00003 kg/L etanol), dan CH4 (0,0000002 kg/L etanol). Dengan demikian,
potensi gas rumah kaca sebagai bentuk dampak lingkungan sebesar 6.578 ton
CO2-eq per tahun. Selain itu, proses produksi etanol dari lignoselulosa masih
membutuhkan sumber daya air yang banyak yaitu 114,08 L/L etanol.
Selanjutnya, analisis teknoekonomi menunjukkan bahwa investasi yang
diperlukan untuk produksi 1000 L/hari adalah Rp 1.891.508.861,00, modal kerja
sebesar Rp 466.230.891,00, dan biaya produksi Rp 2.797.385.287,00 per tahun.
Jika harga etanol ditentukan Rp 13.000,00 per liter maka keuntungan bersih yang
diperoleh adalah Rp 552.272.625,00. Proses produksi yang dirancang layak untuk
dijalankan karena memiliki nilai NPV positif yaitu Rp 957.794.280,00, serta IRR
19,29% dan masih di atas suku bunga 12%, dan waktu pengembalian atau PBP
selama 4,96 tahun. Analisis sensitivitas menunjukkan bahwa kenaikan harga
enzim sebesar 12,62% atau penurunan harga etanol 7,5% menyebabkan industri
tidak layak secara financial. Harga etanol minimum agar proses produksi layak
dilakukan adalah Rp 11.359,00 per liter etanol.
Dari lima rancangan proses produksi dapat diketahui bahwa perbaikan
teknologi berpengaruh terhadap nilai ekoefisiensinya. Perbedaan intensitas
penggunaan bahan baku antara proses produksi terbaik dan terburuk adalah
23.616 kg/L. Dengan intensitas penggunaan bahan baku 7.881 kg/L, menimbulkan
dampak lingkungan setara dengan 248,68 ton CO2-eq sehingga nilai ekoefsiensi
adalah Rp 7.483,21/ton CO2-eq. Jika harga CO2 sebesar Rp 270.000 per ton CO2
(basis tahun 2020) maka rasio nilai tambah dan dampak lingkungan atau nilai
ekoefisiensinya menjadi 0,032. Demikian juga intensitas penggunaan energi untuk
produksi etanol dari lignoselulosa tanaman jagung adalah 44,15 MJ/L etanol.
Dengan demikian, untuk mendapatkan nilai tambah sebesar Rp 1,00 pada proses
produksi ini diperlukan energi sebesar 0,020 MJ. Peningkatan ekoefisiensi juga
dilakukan dengan pemanfaatan limbah padat sebagai sumber energi untuk proses
produksi etanol. Pemanfaatan tersebut dapat mengurangi biaya produksi dan
menekan emisi gas rumah kaca.
Kata kunci : limbah tanaman jagung, bioetanol, lignoselulosa, energi, ekoefisiensi
@ Hak Cipta milik IPB, tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
yang wajar IPB. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau
seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
RANCANG BANGUN PROSES PRODUKSI
BIOETANOL DARI LIGNOSELULOSA SEBAGAI
ENERGI TERBARUKAN DENGAN
PENDEKATAN EKOEFISIENSI
WAGIMAN
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tertutup
Hari/Tangal : Rabu/23 Nopember 2011
1.
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS (Guru Besar Departemen Kimia, IPB)
2.
Prof. Dr. Ir. Erliza Noor (Guru Besar Departemen Teknologi Industri
Pertanian, IPB)
Penguji Luar Komisi pada Ujian Terbuka
Hari/Tangal : Kamis/05 Januari 2012
1.
Prof. Dr. Ir. Endang Gumbira Sa’id, MA. Dev (Guru Besar Departemen
Teknologi Industri Pertanian, IPB)
2.
Prof. Dr. Endang Sukara (Wakil Kepala Lembaga Ilmu Pengetahuan
Indonesia)
Judul Disertasi
Nama
NRP
: Rancang Bangun Proses Produksi Bioetanol dari
Lignoselulosa Sebagai
Energi Terbarukan dengan
Pendekatan Ekoefisiensi
: Wagiman
: F361070061
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir. Anas Miftah Fauzi, M. Eng.
Ketua
Prof. Dr. Ir. Djumali Mangunwidjaja, DEA
Anggota
Dr. Ir. Sukardi, MM
Anggota
Mengetahui
Ketua Program Studi
Teknologi Industri Pertanian
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. Machfud, MS
Dr. Ir. Dahrul Syah, M. Sc.Agr.
Tanggal Ujian : 05 Januari 2012
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Alloh SWT atas segala
karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak Juli 2009 sampai Juli 2011 adalah
energi terbarukan. Judul disertasi yaitu Rancang Bangun Proses Produksi
Bioetanol dari Lignoselulosa Sebagai Energi Terbarukan dengan Pendekatan
Ekoefisiensi.
Sebagian dari disertasi ini telah diterbitkan pada jurnal terakreditasi yaitu
Agritech Vol. 31, No. 2, tahun 2011. Publikasi juga dilakukan melalui prosiding
seminar internal IPB, seminar nasional APTA, dan simposium Agroindustri IV.
Terima kasih dan penghargaan yang setingi-tingginya penulis ucapkan
kepada yang terhormat :
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Anas Miftah Fauzi, M. Eng selaku ketua komisi
pembimbing, Bapak Prof. Dr. Ir. Djumli Mangunwidjaja, DEA dan Bapak Dr.
Ir. Sukardi, MM selaku anggota komisi pembimbing yang telah banyak
memberikan bimbingan dan saran dalam penyusunan disertasi.
2. Ibu Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS dan Ibu Prof. Dr. Ir. Erliza Noor, MS
yang telah berkenan menjadi penguji luar komisi pada ujian tertutup, serta
memberikan evaluasi dan masukan-masukannya.
3. Bapak Prof. Dr. Ir. Endang Gumbira Sa’id, MA. Dev dan Prof. Dr. Endang
Sukara yang telah berkenan menjadi penguji luar komisi pada ujian terbuka,
serta memberikan evaluasi dan masukan-masukannya.
4. Bapak Dr. Eng. Taufiq Djatna, STP, MS sebagai wakil Program Studi
Teknologi Industri Pertanian pada ujian tertutup dan Bapak Dr. Ir. Machfud,
MS sebagai Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian, yang telah
memberikan koreksi dan masukan-masukan pada ujian terbuka.
5. Staf dan teknisi laboratorium di Departemen TIN IPB dan rekan-rekan
mahasiswa S1, S2 dan S3 yang telah bekerja sama selama pengumpulan data.
6. Keluarga : Orang tua (Ny. Kastawiyana), Istri (Suyanti), Anak (Ayu Puspita
Pertiwi AR, Afif Ridwan Kusuma AR, Adnan Kusuma Firdaus AR), saudara
(kel Susiyah, S. Sos, kel Margilan, A. Md) atas dukungannya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat baik bagi penulis sendiri maupun para
pemerhati energi terbarukan.
Bogor, 05 Januari 2012
Wagiman
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kulon Progo pada tanggal 12 Mei 1967 sebagai anak
pertama dari pasangan Kastawiyana (Alm) dan Ngatiyah. Pendidikan sarjana
ditempuh di Jurusan Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Pertanian, UGM, lulus
pada tahun 1993. Pada tahun 1998, penulis diterima di Program Studi Teknologi
Industri Pertanian pada Program Pascasarjana IPB dan menamatkannya pada
tahun 2001. Kesempatan untuk melanjutkan ke program doktor pada program
studi dan perguruan tinggi yang sama diperoleh pada tahun 2007. Beasiswa
pendidikan pascasarjana diperoleh dari Departemen Pendidikan Republik
Indonesia.
Pada tanggal 10 Agustus 1996, penulis menikah dengan Suyanti dan telah
dikarunia tiga anak yaitu Ayu Puspita Pertiwi AR, Afif Ridwan Kusuma AR,
Adnan Kusuma Firdaus AR.
Penulis bekerja sebagai Dosen di Fakultas Teknologi Pertanian UGM
sejak tahun 1995. Bidang keahlian yang menjadi tanggung jawab penulis adalah
teknik dan manajemen limbah industri dan produk samping.
Karya ilmiah berjudul Biokonversi Limbah Tanaman Jagung Menjadi
Bioetanol Melalui Sakarifikasi dan Ko-Fermentasi Simultan (SKFS)
Menggunakan Enzim kasar dan Biakan Campuran telah disajikan pada Seminar
Nasional Asosiasi Profesi Teknologi Agroindustri (APTA). Sebuah artikel telah
diterbitkan dengan judul Efek Perlakuan Kimiawi dan Hidrotermolisis pada
Biomas Tanaman Jagung (Zea mays L.) sebagai Substrat Produksi Bioetanol pada
jurnal Agritech volume 31, No. 2, Tahun 2010, halaman 146-152.
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ......................................................................................................... xv
DAFTAR TABEL................................................................................................ xvii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xviii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xix
I
PENDAHULUAN ........................................................................................... 1
Latar Belakang ................................................................................................. 1
Perumusan Masalah ......................................................................................... 3
Tujuan Penelitian ............................................................................................. 4
Ruang Lingkup ................................................................................................. 4
Kerangka Pemikiran ......................................................................................... 4
Daftar Pustaka .................................................................................................. 7
II
PERLAKUAN KIMIAWI, BIOLOGIS DAN HIDROTERMOLISIS PADA
BIOMASSA TANAMAN JAGUNG SEBAGAI SUBSTRAT PRODUKSI
BIOETANOL ................................................................................................... 9
Abstrak ............................................................................................................. 9
Pendahuluan ................................................................................................... 10
Metode Penelitian .......................................................................................... 12
Hasil dan Pembahasan ................................................................................... 16
Simpulan dan Saran ....................................................................................... 29
Daftar Pustaka ................................................................................................ 30
III PRODUKSI BIOETANOL MELALUI SAKARIFIKASI DAN KOFERMENTASI SIMULTAN (SKFS) MENGGUNAKAN KULTUR
CAMPURAN ................................................................................................. 47
Abstrak ........................................................................................................... 47
Pendahuluan ................................................................................................... 48
Metode Penelitian .......................................................................................... 50
Hasil dan Pembahasan ................................................................................... 53
Simpulan dan Saran ....................................................................................... 68
Daftar Pustaka ................................................................................................ 69
IV PENILAIAN DAUR HIDUP RODUKSI BIOETANOL DARI BIOMASSA
TANAMAN JAGUNG................................................................................... 77
Abstrak ........................................................................................................... 77
Pendahuluan ................................................................................................... 78
Metode Penelitian .......................................................................................... 79
Hasil dan Pembahasan ................................................................................... 82
Simpulan dan Saran ....................................................................................... 93
Daftar Pustaka ................................................................................................ 94
V
ANALISIS TEKNOEKONOMI PRODUKSI BIOETANOL DARI
BIOMASSA TANAMAN JAGUNG ........................................................... 101
Abstrak ......................................................................................................... 101
Pendahuluan ................................................................................................. 102
Metode Penelitian ........................................................................................ 103
Hasil dan Pembahasan ................................................................................. 106
Simpulan dan Saran ..................................................................................... 116
Daftar Pustaka .............................................................................................. 117
VI PEMBAHASAN UMUM ............................................................................ 127
Pendahuluan ................................................................................................. 127
Rancangan Proses produksi ......................................................................... 129
Ekoefisiensi pada Proses Produksi Bioetanol .............................................. 130
Indikator Ekoefisiensi .................................................................................. 131
Penggunaan etanol sebagai bahan bakar dan dampak lingkungannya ......... 135
Simpulan dan Saran ..................................................................................... 135
Daftar Pustaka .............................................................................................. 136
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Nilai faktor perlakuan kimiawi berdasarkan CCD empat faktor ................... 15
Nilai faktor perlakuan biologis berdasarkan CCD dua faktor........................ 15
Komposisi biomassa tanaman jagung (% bobot kering) ................................ 17
Kendala untuk optimasi perlakuan kimiawi.................................................. 19
Model prediksi hasil biodelignifikasi ............................................................. 23
Kondisi optimum perlakuan biodelignifikasi ................................................. 24
Pemilihan metode perlakuan pada biomassa tanaman jagung ....................... 25
Komposisi lignoselulosa sebelum dan setelah perlakuan .............................. 26
Kristalinitas biomassa sebelum dan setelah perlakuan hidrotermolisis ......... 27
Rancangan proses sakarifikasi dan ko-fermentasi simultan (SKFS) ............. 52
Biomassa hasil SKFS I dan SKFS V selama 96 jam. .................................... 62
Perbandingan parameter akhir hasil fermentasi ............................................. 63
Perubahan massa sel selama proses SKFS ..................................................... 65
Pemilihan rancangan SKFS ........................................................................... 67
Komponen masukan dan keluaran pada proses produksi bioetanol .............. 83
Konversi pada lima rancangan proses produksi bioetanol ............................. 85
Perbandingan kebutuhan energi pada setiap rancangan ................................. 88
Sumber energi dan kebutuhan bahan bakar ................................................... 89
Nilai NER dan NEG untuk rancangan proses produski R1 s.d R5 ................ 90
Basis perhitungankapasistas peralatan untuk produksi etanol ..................... 107
Hasil etanol pada lima rancangan proses produksi ...................................... 109
Biaya investasi produksi etanol dengan limbah tanaman jagung ................ 109
Biaya untuk produksi etanol 300.000L/tahun .............................................. 110
Perkiraan keuntungan bersih selama 15 tahun ............................................. 111
Perkiraan arus kas selama 15 tahun ............................................................. 112
Sensitivitas NPV, IRR, dan PBP pada perubahan harga enzim ................... 115
Sensitivitas NPV, IRR, dan PBP pada perubahan harga etanol ................... 116
Rancangan proses produksi etanol dari lignoselulosa.................................. 129
Intensitas penggunaan bahan baku dan dampak lingkungan ....................... 132
Intensitas penggunaan sumber daya air ....................................................... 134
Intensitas penggunaan energi ....................................................................... 134
Hasil uji emisi mobil dalam menggunakan gasohol dan premium .............. 135
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Kerangka pemikiran konseptual penelitian ...................................................... 6
Tahap-tahap perlakuan pada biomassa tanaman jagung ................................ 12
Biomassa limbah tanaman jagung setelah pengecilan ukuran ....................... 16
SEM biomassa sebelum dan setelah perlakuan kimiawi ............................... 20
Bentuk kapang pelapuk putih......................................................................... 21
Pertumbuhan jamur pelapuk putih (perbesaran 1000 kali) ............................ 22
Dampak biodelignifikasi dengan kapang pelapuk putih ................................ 25
Pengaruh perlakuan kimiawi dan hidrotermolisis pada struktur mikrokopik
biomassa ......................................................................................................... 29
Proses produksi bioetanol dari lignoselulosa (sumber : Balat et al. 2007) .... 48
Proses produksi bioetanol dari lignoselulosa tanaman jagung ...................... 52
Kurva pertumbuhan Z. mobilis dan P.stipitis................................................. 53
Uji kemampuan kultur campuran ................................................................... 54
Perubahan kadar gula total dan gula pereduksi selama SKFS ....................... 56
Pertumbuhan biomassa sel mikroba selama sakarifikasi dan ko-fermentasi
simultan .......................................................................................................... 57
Pertumbuhan mikroba dan penurunan substrat .............................................. 57
Konsentrasi etanol selama sakarifikasi dan fermentasi simultan ................... 59
Perubahan kadar gula pereduksi selama SKFS (R2) ..................................... 60
Hasil etanol pada sakarifikasi dan fermentasi simultan ................................. 61
Perubahan konsentrasi gula selama SKFS ..................................................... 65
Hasil SKFS menggunakan enzim kasar ......................................................... 66
Rancangan proses produksi etanol dari lignoselulosa.................................... 68
Kerangka kerja metodologi LCA (Azapagic 2006) ....................................... 79
Neraca massa unntuk rancangan R1 (enzim murni, Z. mobilis dan P. stipitis)
........................................................................................................................ 86
Kebutuhan energi untuk setiap rancangan ..................................................... 87
Emisi polutan dari proses produksi bietanol .................................................. 92
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Metode pengujian komponen lignoselulosa : Mokushitsu Kagaku Jiken
Manual ........................................................................................................... 34
Rancangan percobaan untuk perlakuan biologis ............................................ 37
Rancangan percobaan untuk perlakuan kimiawi dan hasilnya ...................... 38
Hasil uji kecukupan model untuk delignifikasi kimiawi ............................... 39
Perubahan komposisi lignoselulosa setelah perlakuan pendahuluan ............. 43
Hasil uji kristalinitas dengan Diffractometer XRD-700 ................................. 44
Prosedur analisa parameter fermentasi .......................................................... 72
Pertumbuhan Z. mobilis dan P. stipitis .......................................................... 74
Produksi etanol dari substrat campuran glukosa dan xilosa .......................... 74
Konsentrasi gula pereduksi dan produksi etanol............................................ 75
Pemilihan rancangan proses produksi terbaik berdasarkan konsentrasi etanol,
rendemen dan waktu fermentasi .................................................................... 76
Kebutuhan energi untuk pengangkutan bahan baku biomassa tanaman jagung
dari sumbernya ke industri etanol .................................................................. 98
Perincian kebutuhan energi selama daur hidup produksi etanol 1000 L ....... 99
Perhitungan potensi gas rumah kaca dengan perangkat lunak Greenhouse Gas
Calculator (UN 2009) .................................................................................... 99
Dasar perhitungan teknoekonomi ................................................................ 120
Perincian biaya investasi .............................................................................. 120
Perincian biaya untuk produksi etanol dari lignoselulosa ............................ 121
Perhitungan biaya depresiasi........................................................................ 122
Perincian perhitungan laba-rugi selama 15 tahun ........................................ 123
Analisis sensitivitas perubahan harga etanol, harga enzim, dan harga bahan
baku .............................................................................................................. 126
I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Bioetanol merupakan energi terbarukan yang dikembangkan di Indonesia
sebagai substitusi bahan bakar fosil jenis premium. Model substitusi berupa
gasohol yang merupakan campuran bioetanol dan premium E-3 dan E-5 (Nurianti
2008). Keuntungan penggunaan gasohol adalah mengurangi penggunaan bahan
bakar tidak terbarukan, mengurangi gas rumah kaca, memiliki keseimbangan
energi yang positif, membentuk kemandirian energi, dan mengurangi kemiskinan
(Kim dan Dale 2007, Nguyen et al. 2007, Zhang et al. 2003).
Target penggunaan gasohol tahun 2011-2015 sebesar 3 % dari konsumsi
bensin dan ditingkatkan menjadi 5 % pada periode tahun 2016-2025. Pencapaian
target 5 % tersebut harus didukung dengan penelitian dan pengembangan bahan
lignoselulosa sebagai bahan baku produksi etanol dan bahan bakar (ESDM 2005).
Menurut Huang et al. (2008), bahan lignoselulosa untuk bahan baku etanol dapat
berasal dari limbah petanian, bahan berkayu dan limbahnya, rumput-rumputan,
dan limbah industri pulp dan kertas.
Kelebihan bahan lignoselulosa dari limbah pertanian dibandingkan dengan
bahan berpati atau bergula antara lain (Araque et al. 2008, Sierra et al. 2008, Balat
et al. 2007, Farrell et al. 2006, Kim dan Dale 2005) :
(1) Tidak terjadi kompetisi penggunaan lahan bahkan sinergis dengan kebutuhan
pangan dan pakan
(2) Proses budidaya cepat dengan produktivitas tinggi
(3) Tanaman lignoselulosa dapat tumbuh di banyak kondisi iklim dan sudah
sangat dikenal masyarakat
(4) Harga bahan lignoselulosa relatif lebih rendah
(5) Memiliki potensi besar mengurangi emisi gas rumah kaca
Olofsson et al. (2008) menyebutkan bahwa biomassa lignoselulosa atau bahan
bioetanol generasi kedua memiliki kelebihan dibandingkan dengan bahan generasi
pertama ditinjau dari sudut pandang lingkungan dan energi.
Tanaman jagung merupakan salah satu limbah pertanian yang berpotensi
sebagai sumber bahan lignoselulosa. Luas budidaya tanaman jagung di Indonesia
2
menunjukkan peningkatan yaitu dari 3.358.211 ha pada tahun 2003 menjadi
4.003.313 ha tahun 2008 yang tersebar di 30 propinsi di Indonesia (BPS 2009).
Selain jagung pipil, usaha budidaya tanaman jagung menghasilkan limbah berupa
corn stover yang terdiri dari tongkol (15 %), daun (22 %), dan batang jagung (50
%) (Hettenhaus 2002).
Limbah tanaman jagung dimanfaatkan sebagai pakan
ternak, bahan bakar (langsung), dan sebagian besar tidak termanfaatkan. Padahal
biomassa tanaman jagung memiliki komposisi selulosa (36,6 %), hemiselulosa
(22,6 %), dan lignin (16,6) (Wiselogel et al. 1996) sehingga dapat digunakan
sebagai bahan baku bioetanol. Keuntungan pemanfaatan biomassa tersebut antara
lain meningkatkan pendapatan petani, menjaga ketahanan energi, memiliki
sinergitas dengan kebutuhan pangan dan pakan, dan mencegah pencemaran
lingkungan.
Ketersediaan bahan lignoselulosa yang melimpah belum diikuti dengan
pertumbuhan industri bioetanol karena beberapa kendala terutama teknologi
(Chandel et al. 2007). Kendala teknologi yang menyebabkan biaya produksi
bioetanol dari lignoselulosa menjadi sangat tinggi yaitu perlakuan pendahuluan
biomassa, hidrolisis enzimatik, fermentasi C-5, optimasi proses dan pemanfaatan
bahan sisa (van Zessen et al. 2003, Moiser et al. 2005, Huang et al. 2008).
Struktur lignoselulosa yang kuat menyebabkan hidrolisis menjadi gula sederhana
lebih sulit dilakukan dibanding bahan dari pati (Öhgren et al. 2007).
Penggunaan bahan kimia, kondisi proses pada suhu tinggi, dan keberadaan
limbah dari produksi bioetanol berpotensi memberikan dampak negatif terhadap
lingkungan. Hal tersebut bertentangan dengan tujuan penggunaan bioetanol
sebagai bahan bakar yang bertujuan untuk memperbaiki kualitas lingkungan.
Untuk itu, pengembangan teknologi proses produksi bioetanol harus memenuhi
beberapa kriteria yaitu tambahan energi total, keuntungan lingkungan, kompetitif
secara ekonomi, dapat diproduksi dalam jumlah besar tanpa bersaing dengan
pangan (Hill et al. 2006). Aspek lingkungan menjadi sangat penting karena
pengolahan sumber daya terbarukan menjadi bahan bakar dapat menimbulkan
polusi air, udara dan tanah (Brown 2003).
Dalam rangka mengembangkan proses produksi etanol dari lignoselulosa
maka di dalam penelitian dikaji perbaikan proses produksi melalui konsep
3
produksi bersih. Perancangan proses produksi tersebut mengintegrasikan aspek
teknis, ekonomis, dan lingkungan. Perpaduan tiga sudut pandang tersebut
merupakan konsep dasar ekoefisiensi yang dikembangkan oleh World Business
Council for
Sustainable Development (WBCSD) sejak tahun 1996. Analisis
ekoefisiensi digunakan untuk mempelajari siklus hidup produk “from crandle to
grave” yang dalam penelitian ini pada batas dari penyediaan biomassa
lignoselulosa sampai diperoleh etanol untuk bahan bakar. Output penelitian adalah
rancangan proses produksi etanol dari lignoselulosa dan evaluasi ekoefisiensinya.
Outcome yang diharapkan adalah akselerasi pertumbuhan industri dalam
mendukung penyediaan energi terbarukan yang berkelanjutan dan ramah
lingkungan.
Perumusan Masalah
Keberlanjutan pengembangan bioetanol sebagai energi terbarukan
memerlukan tiga pilar yaitu ketersediaan bahan baku, manfaat
stakeholders,
dan
dampak
positif
terhadap
lingkungan.
pembangunan industri bioetanol berbasis bahan baku lokal
ekonomis bagi
Dalam
rangka
Indonesia maka
permasalahan yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah :
a
Bagaimana memodifikasi proses produksi bioetanol dari bahan baku
biomassa tanaman jagung dengan menekan penggunaan bahan kimia
berbahaya, pencegahan atau pengurangan limbah dan pemanfaatan produk
samping maupun limbah proses produksi tersebut.
b
Bagaimana dampak lingkungan yang ditimbulkan dari aktivitas penyediaan
bahan baku dan perubahan proses produksi bioetanol berbasis bahan
lignoselulosa.
c
Bagaimana keseimbangan energi total dari modifikasi proses produksi
bioetanol berbahan baku lignoselulosa.
d
Bagaimana perubahan teknologi di atas dapat meningkatkan nilai tambah
bioetanol yang pemanfaatannya sebagai energi terbarukan.
e
Bagaimana proses produksi bioetanol berdasarkan konsep ekoefisiensi yang
mengintegrasikan kepentingan ekonomi dan lingkungan.
4
Tujuan Penelitian
Berdasarkan rumusan masalah di atas maka tujuan yang ingin dicapai di
dalam penelitian ini adalah :
a
Mendapatkan kondisi proses perlakuan pendahuluan terhadap biomassa dan
produksi etanol dari lignoselulosa menggunakan kultur campuran.
b
Mendapatkan
rancangan
proses
produksi
bioetanol
berbahan
baku
lignoselulosa dengan introduksi teknologi produksi bersih.
c
Mendapatkan rancangan proses produksi bioetanol yang sudah mempertimbangkan aspek teknoekonomi dan ekologi.
d
Menentukan nilai ekoefisiensi proses produksi bioetanol dari bahan
lignoselulosa.
Ruang Lingkup
Pencapaian tujuan penelitian dilakukan di dalam ruang lingkup yang
meliputi sebagai berikut :
a
Bahan lignoselulosa berasal dari limbah tanaman jagung yang ditanam di
Indonesia tanpa membedakan jenis atau varietasnya dengan kandungan
komponen lignin, selulosa, hemiselulosa, dan bahan ekstraktif tertentu.
b
Proses produksi bioetanol mencakup perlakuan pendahuluan (kimiawi-panas,
biologis), hidrolisis enzimatik, sakarifikasi dan fermentasi simultan, serta
distilasi dan dehidrasi.
c
Analisis teknoekonomi dan analisis daur hidup dilakukan pada batas
penyediaan bahan baku dan proses produksi bioetanol. Analisis teknoekonomi mencakup penghitungan investasi, kelayakan finansial, analisis
sensitivitas, sedangkan analisis daur hidup meliputi penggunaan energi fosil
dan non fosil, penggunaan air, penggunaan bahan kimia, polutan pada limbah
cair (COD), dan limbah padat.
d
Rancangan proses produksi bioetanol dari lignoselulosa untuk bahan bakar
dinyatakan dalam bentuk diagram.
Kerangka Pemikiran
Penelitian dimaksudkan untuk mendapatkan proses produksi bioetanol dari
lignoselulosa yang dapat meningkatkan nilai tambah dan ramah lingkungan.
5
Peningkatan produksi bioetanol dilakukan dengan fermentasi baik gula dalam
bentuk heksosa maupun pentosa. Oleh karena itu, pada tahap perlakuan
pendahuluan terhadap biomassa dirancang sehingga gula heksosa maupun pentosa
tidak terurai lebih lanjut. Demikian juga proses fermentasi dikembangkan untuk
dapat mengkonversi kedua jenis gula menjadi bioetanol dengan menggunakan
Saccharomyces cereviceae, Pichia stipitis dan Zymomonas mobilis.
Penerapan produksi bersih dalam penelitian meliputi penggunaan bahan
kimia (basa lemah) Ca(OH)2, pemanfaatan hemiselulosa, daur ulang air dan CO2,
dan pemanfaatan limbah padat. Inti dari rancangan proses produksi bioetanol
adalah penyisihan lignin, pengambilan hemiselulosa, dekristalisasi selulosa,
pemecahan polisakarida menjadi gula, konversi gula menjadi etanol, dan
purifikasi etanol.
Pengembangan teknologi produksi bioetanol diharapkan menghasilkan
teknologi yang memiliki kelayakan ekonomi dan memberikan dampak negatif
yang lebih kecil terhadap lingkungan. Untuk itu, indikator ekoefisiensi yang
mengakomodasi aspek ekonomi dan aspek lingkungan digunakan untuk menilai
hasil rancangan. Oleh karena itu, penelitian dibagi menjadi lima bagian sebagai
berikut :
1
Fraksinasi komponen lignoselulosa dengan cara delignifikasi baik secara
kimia maupun biologi dan hidrotermolisis. Hasil yang diharapkan dari tahap
ini adalah substrat yang lebih mudah dihidrolisis dengan enzim.
2
Sakarifikasi enzimatik dan fermentasi gula dari kelompok heksosa maupun
pentosa
secara simultan. Hasil yang diharapkan yaitu terkonversinya
lignoselulosa menjadi etanol dengan rendemen yang tinggi.
3
Analisis daur hidup produk etanol dari lignoselulosa dengan tujuan
mengidentifikasi dan memprediksi kesetimbangan energi dan dampak
lingkungan yang ditimbulkan dari proses produksi etanol.
4
Analisis teknoekonomi yang bertujuan untuk menilai kelayakan secara
finansial dari rancangan proses produksi yang dibuat serta membuat skenario
perbaikan proses produksi dari aspek ekonomi.
5
Penentuan nilai ekoefisiensi proses produksi etanol dari lignoselulosa dengan
mengintegrasikan aspek lingkungan dan ekonomi (Gambar 1).
6
LIGNOSELULOSA
Selulosa
Hemiselulosa
Lignin
Ca(OH)2
Hidrotermal II
Hidrotermal I
Delignifikasi
White-rot
fungi
Sakarifikasi : enzimatik
Glukosa
Zimonas mobilis +
Pichia stipitis
Xilosa
Fermentasi
Lignin
Saccharomyces
cereviceae + Pichia
stipitis
ETANOL
Penggandaan skala
Life cycle economic
assessment
Proses
produksi
Bioetanol
SISTEM PRODUKSI
BIOETANOL
life cycle
assessment
Gambar 1 Kerangka pemikiran konseptual penelitian
Energi
7
Daftar Pustaka
Araque E et al. 2008. Evaluationof organosolv pretreatment for conversion of
Pinus radiata D. Don to ethanol. Enzyme and Microbial Technology 43 :
214-219.
Balat M, Balat H, Öz C. 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in
Energy and Combustion Science 34 (5):551-573.
[BPS] Badan Pusat Statistik. 2009. Luas, produksi, produktivitas jagung secara
nasional. www.bps.go.id
Brown RC. 2003. Biorenewable Resources : Engineering New products from
Agriculture. USA : Iowa State Press.
Chandel AK et al. 2007. Economics and environmental impact of bioethanol
production technologies : an appraisal. Biotechnol Mol Biol Rev 2:14-32
[ESDM] Energi dan Sumber Daya Mineral. 2005. Blueprint Pengelolaan Energi
nasional 2005-2025, Jakarta.
Farrell AE, Plevin RJ, Turner BT, Jones AD, O’Hare M, Kammen DM. 2006.
Ethanol can contribute to energy and environmental goals. Science 311:
506-508.
Hettenhaus J. 2002. Talking About Corn Stover with Jim Hettenhaus. The
Carbohydrate Economy Vol. 4 No. 2.
Hill J, Nelson E, Tlman D, Polasky S, Tiffany D. 2006. Environmental, economic,
and energetic costs and benefits of biodiesel and ethanol biofuels.
www.pnas.org./cgi/doi/10.1073/pnas. 0604600103, pp. 11206-11210.
Huang H-J, Ramaswamy S, Al-Dajani W, Tschirner U, Cairncross RA. 2008.
Effect of biomass species and plant size on cellulosic ethanol : A coparative
process and economic analysis. Biomass and Bioenergy, in press.
Kim S, Dale BE. 2005. Life Cycle Assessment of various cropping systems
utilized for producing biofuels : bioethanol and biodiesel. Biomass and
Bioenergy 29 :426-439.
Kim S, Dale BE. 2007. Life Cycle Assessment of fuel ethanol derived from corn
grain via dry milling. Bioresource Technology, in pres.
Mosier N et al.. 2005. Features of promising technologies for pretreatment of
lignocellulosic biomass. Bioresource Technology 96:673–686.
8
Nguyen LT, Gheewala SH, Garivait S. 2007. Energy balance and GHG-abatement
cost of cassava utilization for fuel ethanol in Thailand. Energy Polycy 35:
4585-4596.
Nurianti Y. 2008. Potensi Pemakaian Bioetanol di Indoensia. Workshop Bisnis
Bioethanol Singkong, 29 April 2008, Bogor.
Öhgren K, J Vehmaanperä, M Siika-Aho, M Galbe, L Viikari, G Zacchi. 2007.
High
temperature
enzymatic
prehydrolysis
prior
to
simultaneous
saccharification and fermentation of steam pretreated corn stover for ethanol
production. Enzyme and Microbial Technology 40:607-613.
Olofsson K, M Bertilsson, G Lidén. 2008. A short review on SSF – an interesting
process option for ethanolproduction from lignocellulosic feedstocks.
Biotechnology for Biofuels 2008, 1:7, 1-14 doi:10.1186/1754-6834-1-7.
Sierra R, A Smith, C Grdana, MT Holtzapple. 2008. Producing fuels and
chemicals from lignocellulosic biomass. Sbe special edition : biofuels.
http://www.aiche.org/SBE/Publication/Articles.aspx, 27 Oktober 2008.
van Zessen E et al. 2003. Project report : Project number 6247-02-02-0110101/4700003401. Energy research Centre of the Netherland (ECN),
Belanda.
Wiselogel A, Tyson S, Johnson D. 1996. Biomass feedstock resources and
composition.In Handbook on bioethanol: Production and utilization. Edited
by: Wyman C. Taylor and Francis. [Applied energy technology series].
Zhang C, Han W, Jing X, Pu G, Wang C. 2003. Life cycle economic analysis of
fuel ethanol derived from cassava in southwest China. Renewable &
Sustainable Energy Review 7:353-366.
9
II PERLAKUAN KIMIAWI, BIOLOGIS DAN
HIDROTERMOLISIS PADA BIOMASSA TANAMAN
JAGUNG SEBAGAI SUBSTRAT PRODUKSI BIOETANOL
Chemical, Biological and Hydrothermolitical Pretreatment of Corn Stover
Biomass to Produce Substrate for Bioethanol Production
Abstract
The purpose of this research was to obtain substrate for saccharification
and fermentation with a high content of cellulose and hemicellulose, as well as to
decrease the cellulose crystalinity. Dried corn stover was crushed (2-10 mm) and
pretreated either chemically or biologically. First, Ca(OH)2 and water were
added to the biomass, then the mixture was heated at various temperature for 2, 3,
4 and 5 hours. After that, the biomass was inoculated by white-rot fungi Trametes
versicolor, Pleurotus ostretus dan Panerochaeta crysosporium. The appropriate
pretreatment methods were continued with hydrothermolysis for enhancing the
lignin removal and decreasing cellulose crystalinity. The suitable process
condition for chemical pretreatment was achieved at the loading of 0.075 g
Ca(OH)2/g biomass and 6.25 ml water/g biomass, temperature of 69,61 OC for 2
hours. Hydrothermolysis produced solid fraction that contained 42.68% of
cellulose and 34.68% of hemicellulose. The crystalinity of cellulose of the leaves,
cobs, and cornhusk decreased significantly after the pretreatment. The SEM
images of the pretreated materials indicated that the surface of the cell wall of
corn stover had been perforated by these pretreatment processes.
Keywords : corn stover, delignification, pretreatment, white-rot fungi, cellulose,
hemicelluloses
Abstrak
Tujuan penelitian adalah mendapatkan substrat fermentasi dengan
kandungan selulosa dan hemiselulosa tinggi serta menurunkan kristalinitas
selulosa. Biomassa tanaman jagung berukuran 2-10 mm diberi perlakuan dengan
cara : (1) kemodelignifikasi menggunakan Ca(OH)2 dan (2) biodelignifikasi
menggunakan jamur pelapuk putih Trametes versicolor, Pleurotus ostretus dan
Panerochaeta crysosporium. Hasil dari kedua metode delignifikasi dipilih yang
terbaik dan kemudian dilanjutkan dengan hidrotermolisis. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa metode yang lebih baik adalah kemodelignifikasi dengan
kondisi proses sebagai berikut : penambahan 0,075 g Ca(OH)2 /g biomassa dan
6,25 ml air/g biomassa, suhu pemanasan 69,61 OC dengan waktu dua jam. Setelah
hidrotermolisis, fraksi padatan memiliki komposisi selulosa 42.68 % dan
hemiselulosa 34.34 %. Perlakuan kemodelignifikasi juga menurunkan kristalinitas
selulosa dan menimbulkan pori-pori pada dinding sel biomassa tanaman jagung.
Kata kunci : limbah tanaman jagung, delignifikasi, perlakuan pendahuluan,
jamur pelapuk putih, selulosa, hemiselulosa
10
Pendahuluan
Biomassa tanaman jagung memiliki struktur lignoselulosa yang kuat
sehingga sulit dihidrolisis dengan enzim. Untuk meningkatkan aksesabilitas enzim
terhadap selulosa dan hemiselulosa maka lignoselulosa harus dipecah terlebih
dahulu. Pemecahan struktur lignoselulosa menjadi fraksi-fraksi komponen
selulosa, hemiselulosa dan lignin dapat dilakukan dengan metode fisikawi
(penggilingan, grinding, radiasi), kimiawi (alkali, asam, pengoksidasi, pelarut
organik), fisikokimia (autohidrolisis, hidrotermolisis dan oksidasi basah), dan
biologis (Galbe dan Zacchi 2007). Beberapa metode yang dinilai prospektif antara
lain perlakuan dengan asam encer, hidrotermolisis, ammonia fiber expansion
(AFEX), ammonia recycle percolation (ARP), dan lime ( Yang dan Wyman 2008,
Mosier et al. 2005).
Tujuan perlakuan terhadap biomassa adalah untuk menyiapkan substrat
fermentasi agar diperoleh bioetanol dalam jumlah yang layak dikomersialkan
(Mosier et al .2005, Wyman et al. 2005). Teknologi perlakuan yang ada masih
membutuhkan biaya sebesar 33 % dari total biaya proses karena faktor berikut :
proses lama, kebutuhan energi dan air yang besar, bahan aditif yang tidak ramah
lingkungan, dan menghasilkan inhibitor biologis yang menghambat fermentasi
(Reith et al. 2002, Brown 2003, Garrote et al. 2007, Teramoto et al. 2008). Oleh
karena itu, pengembangan teknologi proses penyiapan substrat fermentasi dengan
mengkombinasikan dua metode perlakuan diharapkan dapat memperbaiki
kelemahan-kelemahan tersebut. Hsu (1996) menjelaskan bahwa kombinasi
perlakuan terhadap biomassa lebih efektif dibandingkan dengan metode tunggal,
meskipun sering membutuhkan tambahan peralatan dan bahan kimia sehingga
menaikkan biaya produksi. Kriteria untuk menentukan efektivitas perlakuan
terhadap biomassa yaitu tingkat pembentukan gula, kemampuan mempertahankan
fraksi karbohidrat, pembentukan senyawa penghambat (inhibitory), kebutuhan
bahan kimia, pembentukan limbah, dan biaya prosesnya (Reith et al. 2002; Mosier
et al. 2005)
Perlakuan terhadap biomassa menggunakan kalsium hidroksida (Ca(OH)2)
merupakan metode yang efektif untuk perlakuan kimiawi karena dapat merusak
lignin, degradasi gula sedikit dan dapat diambil kembali dengan CO2 (Kaar dan
11
Holtzapple 2000). Kelebihan lainnya adalah suhu proses yang lebih rendah dan
dapat digunakan pada berbagai bahan hasil pertanian (Mosier et al. 2005). Dengan
demikian, penyiapan substrat dengan teknologi kimiawi memiliki prospek yang
baik untuk tujuan komersial (Kumar et al. 2009). Namun penggunaan Ca(OH)2
memiliki kelemahan yaitu tidak dapat memecah struktur kristal selulosa (Maas et
al. 2008).
Perlakuan biologis menggunakan kapang pelapuk putih (white-rot fungi)
juga
merupakan
metode
untuk
delignifikasi
lignoselulosa.
Keuntungan
penggunaan kapang pelapuk putih adalah efektif untuk meningkatkan akses enzim
ke selulosa pada serat dan limbah pertanian (Keller et al. 2003). Kapang pelapuk
putih yang potensial untuk biodelignifikasi antara lain Trametes versicolor,
Pleurotus ostreatus, dan Panerochaeta crysosporium. Kapang T.
versicolor
efektif untuk biodelignifikasi jerami (Ermawar 2005) dan bagas (Fitria et al. 2007,
Samsuri et al. 2007). Sementara itu, Stamets (2000) mengemukakan, bahwa
Pleurotus ostreatus merupakan pelapuk primer yang berkembang cepat,
perkembangan ujung miselium yang cepat akan mendekomposisi jaringan
tanaman. Penelitian yang dilakukan oleh Fadilah et al. (2008) menunjukkan
bahwa Phanerochaete chrysosporium mampu mendegradasi lignin sebanyak
81,40 % dan selulosa sebanyak 22,30% dengan waktu inkubasi selama 30 hari.
Perlakuan dengan Ca(OH)2 maupun biologis perlu dilanjutkan dengan
metode fisikokimia yaitu hidrotermolisis. Pengertian hidrotermolisis adalah
perlakuan terhadap bahan dengan menggunakan media air pada suhu tertentu (Xu
et al., 2009). Metode ini telah digunakan pada berbagai bahan seperti limbah
tanaman jagung (Mosier et al. 2005, Kim dan Lee 2005, Xu et al. 2009), Pinus
radiate (Araque et al. 2008), jerami gandum (Zhao et al. 2008), limbah rapeseed
(Lu et al. 2009).
Tujuan penelitian ini adalah membandingkan perubahan kimiawi maupun
struktur mikroskopik biomassa limbah tanaman jagung yang diberi perlakuan
kimiawi dengan Ca(OH)2 atau biologis dan kemudian dilanjutkan dengan
hidrotermolisis. Perubahan kimia meliputi delignifikasi, perubahan holoselulosa,
dan perubahan kristalinitas selulosa, sedangkan struktur mikroskopik melihat
d