Pengaruh Volume Starter dan Agitasi dalam Pembuatan Bioetanol dari Nira Aren (Arenga Pinnata Merr)
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Energi adalah kebutuhan fundamental bagi kelangsungan hidup suatu Negara [1]
sementara itu ketersediaan sumber energi minyak bumi dan gas alam di Indonesia
diperkirakan hanya akan bertahan hingga 53 tahun mendatang [2]. Selain itu,
pertumbuhan penduduk yang cepat, industrialisasi, keterbatasan minyak bumi dan
dampak negatif yang ditimbulkan dari hasil pembakaran fosil, mendorong pencarian
alternatif baru yakni energi terbarukan [3].
Salah satu jenis energi terbarukan adalah energi yang berasal dari makhluk hidup
(energi biomassa). Hal ini sangat tepat diterapkan di Indonesia yang memiliki hasil
perkebunan dan pertanian (biomassa) yang melimpah, baik produk maupun
limbahnya [4]. Penggunaan biomassa secara langsung (dibakar) tidak lah efisien dan
dapat mencemari lingkungan. Sehingga konversi biomassa ke sumber energi yang
lebih efisien [5] seperti etanol [3] [6] sangat diperlukan.
Bioetanol atau etil alkohol (C2H5OH) [7] sebagai bahan bakar yang ramah
lingkungan dan juga terbarukan menjadi perhatian dunia dewasa ini [8] hal ini
dibuktikan dengan semakin meningkatnya produksi bioetanol dari tahun ke tahun
yakni 17,3 juta liter pada tahun 2000, meningkat menjadi 46 juta liter di tahun 2007,
dan diestimasi akan meningkat secara drastis pada tahun 2020 yakni sebanyak 125
juta liter [9].
Bahan baku utama pembuatan bioetanol dengan proses fermentasi pada dasarnya
berasal dari glukosa, pati [6] dan lignoselulosa [10]. Bioetanol dapat diproduksi dari
berbagai jenis biomassa seperti jagung, gandum, selulosa, alga [8] dan ampas tebu
[11] yang mana bahan baku ini berwujud padatan. Adapun bahan baku cair yang
pernah digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol adalah nira kelapa [12],
nira nipah (Nypa fructicans) [13] [14], dan nira aren (Arenga pinnata) [15] [16].
Kelebihan bahan baku cairan (nira) adalah karena nira merupakan larutan gula yang
dapat langsung memulai proses fermentasi sehingga dapat mempersingkat tahapan
produksi etanol [17]. Hal ini berbeda jika bahan baku berasal dari pati dan selulosa,
dimana pati harus melalui proses hidrolisis untuk masuk ke tahapan fermentasi gula
1
Universitas Sumatera Utara
sedangkan selulosa harus dikonversi terlebih dahulu untuk mendapatkan gula dengan
bantuan mineral asam [18].
Produk terpenting dari aren (Arenga pinnata) adalah nira [19]. Nira adalah cairan
manis yang diperoleh dari air perasan batang atau getah tandan bunga tanaman [20].
Nira biasanya dijadikan gula aren [21] namun saat ini para peneliti fokus terhadap
produksi bioetanol dari nira aren melalui proses fermentasi [22] karena kadar
gulanya yang tinggi 13,9-14,9% [23].
Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang pembuatan bietanol dari
berbagai bahan baku cair dan penggunaan mikroorganisme Saccharomyces
cerevisiae dapat dilihat pada tabel 1.1.
Pembuatan bioetanol berbahan baku gula dan pati melalui proses fermentasi
dengan bantuan mikroba S.cerevisiae adalah metode yang paling umum dan sering
digunakan di industri [6]. S.cerevisiae digunakan untuk memecah glukosa dalam
proses fermentasi [24] untuk menghasilkan kadar etanol yang tinggi [25].
Berdasarkan uraian di atas, maka penggunaan nira aren (Arenga pinnata) dengan
bantuan mikroorganisme (Saccharomyces cerevisiae) sangat berpotensi untuk
digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan bioetanol.
2
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Bioetanol dari Berbagai Bahan Baku dan Penggunaan Mikroorganisme
Saccharomyces cerevisiae
No
1
2
3
Nama
Fahrizal et al
Betiku &
Taiwa
Hadi dkk
Tahun
Judul Penelitian
2013
The Effect of Temperature and
Length of Fermentation on
Bioethanol Production from Arenga
Plant (Arenga pinnata MERR)
2014
Modeling and Optimization of
Bioethanol Production From
Breadfruit Starch Hydrolizate vis-àvis Response Surface Methodology
and Artificial Neural Network
2013
Karateristik dan Potensi Bioetanol
dari Nira Nipah (Nypa fructicans)
untuk Penerapan Skala Teknologi
Tepat Guna
Katalis
Variabel
Variabel tetap : Tanpa penambahan
nutrisi
Variabel berubah : waktu fermentasi
(72,96,120,144,168) jam, temperatur
(27oC dan 32oC)
Hasil
Kondisi optimal
dengan waktu
fermentasi 120 jam
dengan temperatur
32oC
Dry Yeast
Variabel tetap : Suhu 30 oC
Variabel berubah : waktu fermentasi
(6,12,18,24,30,36 jam), nutrisi (dengan
dan tanpa penambahan nutrisi), metode
optimasi (RSM & ANN)
Yield bioetanol:
RSM= 4,10%,
21,33 jam
ANN= 4,22%, 24
jam dengan
penambahan nutrisi
Saccharomyces
cerevisiae
Variabel tetap : suhu reaksi 25 oC - 30oC,
Variabel berubah : keadaan fermentasi
(terbuka, tidak sirkulasi dan tertutup,
sirkulasi dan tertutup)
Rendemen
bioetanol tertinggi
8,1% dengan kadar
4,3% pada tahap
fermentasi sirkulasi
dan tertutup
-
3
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Bioetanol dari Berbagai Bahan Baku dan Penggunaan Mikroorganisme
Saccharomyces cerevisiae
No
4
5
6
Nama
Kismurtono
Shahirah et al
Chairul dan
Yenti
Tahun
2012
2014
2013
Judul Penelitian
Fed Batch Alcoholic
Fermentation of Palm Juice
(Arenga pinnata Merr) :
Influence of The Feeding Rate
on Yeast, Yield and
Productivity
Influence of Nutrient Addition
on The Bioethanol Yield From
Oil Palm Trunk Sap Fermented
by Saccharomyces cerevisiae
Pembuatan Bioetanol dari Nira
Nipah Menggunakan
Sacharomyces cerevisiae
Katalis
Variabel
Hasil
Saccharomyces
cerevisiae
Variabel tetap : waktu fermentasi 24 jam
Variabel berubah : proses treatment
(p1,p2,p3,p4)
Yield bioetanol:
99,5% (25% volume
starter, 0,4% NPK, 5
% bread yeast)
Saccharomyces
cerevisiae
Variabel tetap : suhu reaksi 32 oC,
kecepatan pengadukan 170 rpm, pH 6,
jumlah penambahan nutrisi 0,2% berat
Variabel berubah : jenis nutrisi (Na2HPO4,
MgSO4, (NH4)2SO4, C3H7NO2), nutrisi
(dengan dan tanpa penambahan nutrisi
Yield bioetanol:
Tanpa nutrisi:
55,39%,
Terbaik dengan
penambahan nutrisi
MgSO4 81,89%
Variabel tetap : suhu kamar, volume starter
10%, kecepatan pengadukan 200 rpm,
Urea (46% N) 0,4 gr/l dan NPK (16% P)
0,5 gr/l
Variabel berubah : volume ragi (15 dan 20)
gr/l, waktu pengambilan sampel (24, 36,
48, 60, dan 72) jam, pH awal fermentasi
(4,5 ; 5,0, ; dan 5,5)
Volume etanol yang
dihasilkan 14% v/v)
pada kondisi
optimum (pH 4,5 ;
waktu fermentasi 36
jam ; dan massa ragi
15 gr/l)
Saccharomyces
cerevisiae
4
Universitas Sumatera Utara
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Adapun perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh
volume starter dan kecepatan agitasi terhadap kadar dan yield bioetanol yang
dihasilkan dalam proses fermentasi nira aren (Arenga pinnata Merr).
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mempelajari hubungan volume starter dan agitasi terhadap kadar bioetanol
hasil proses fermentasi nira aren.
2. Mempelajari hubungan volume starter dan agitasi terhadap yield bioetanol
hasil proses fermentasi nira aren.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dari penelitian yang dilakukan adalah :
1. Memberikan informasi mengenai pengaruh volume starter dan agitasi pada
proses fermentasi nira aren.
2. Mendapatkan data percobaan yang diperlukan untuk merancang dan
membangun unit pembuatan bioetanol dari nira aren untuk skala yang lebih
besar (scale up).
3. Memberikan informasi kepada masyarakat tentang bagaimana kualitas
bioetanol yang dihasilkan dari proses fermentasi nira aren sekaligus
meningkatkan nilai ekonomis dari nira aren tersebut.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Mikrobiologi Teknik Departemen
Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater USU
Medan, Indonesia.
Adapun bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini yaitu nira aren
sebagai bahan baku dan Sacharomycess cerevisiae sebagai biokatalis.
5
Universitas Sumatera Utara
Variabel-variabel yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
Variabel tetap :
1.
Suhu fermentasi
= suhu ruangan
2.
Nutrisi
= NPK 0,4% (m/m)
(Kismurtono, 2012)
3.
Waktu Fermentasi
= 24 jam
(Kismurtono, 2012)
Variabel berubah :
1.
Volume Starter
= 15%
25%
(Kismurtono, 2012)
35%
45%
55%
2.
Agitasi
= 75 rpm
100 rpm
(Ha et al, 2011)
125 rpm
Adapun analisis yang akan dilakukan di dalam penelitian ini adalah
oksidasi dengan kalium dikromat (K2Cr2O7), karakteristik gugus fungsi dengan
FTIR, pengukuran volume bioetanol yang dihasilkan, perhitungan densitas, kadar
bioetanol, specific gravity (sg), API Gravity dan nilai kalor.
6
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Energi adalah kebutuhan fundamental bagi kelangsungan hidup suatu Negara [1]
sementara itu ketersediaan sumber energi minyak bumi dan gas alam di Indonesia
diperkirakan hanya akan bertahan hingga 53 tahun mendatang [2]. Selain itu,
pertumbuhan penduduk yang cepat, industrialisasi, keterbatasan minyak bumi dan
dampak negatif yang ditimbulkan dari hasil pembakaran fosil, mendorong pencarian
alternatif baru yakni energi terbarukan [3].
Salah satu jenis energi terbarukan adalah energi yang berasal dari makhluk hidup
(energi biomassa). Hal ini sangat tepat diterapkan di Indonesia yang memiliki hasil
perkebunan dan pertanian (biomassa) yang melimpah, baik produk maupun
limbahnya [4]. Penggunaan biomassa secara langsung (dibakar) tidak lah efisien dan
dapat mencemari lingkungan. Sehingga konversi biomassa ke sumber energi yang
lebih efisien [5] seperti etanol [3] [6] sangat diperlukan.
Bioetanol atau etil alkohol (C2H5OH) [7] sebagai bahan bakar yang ramah
lingkungan dan juga terbarukan menjadi perhatian dunia dewasa ini [8] hal ini
dibuktikan dengan semakin meningkatnya produksi bioetanol dari tahun ke tahun
yakni 17,3 juta liter pada tahun 2000, meningkat menjadi 46 juta liter di tahun 2007,
dan diestimasi akan meningkat secara drastis pada tahun 2020 yakni sebanyak 125
juta liter [9].
Bahan baku utama pembuatan bioetanol dengan proses fermentasi pada dasarnya
berasal dari glukosa, pati [6] dan lignoselulosa [10]. Bioetanol dapat diproduksi dari
berbagai jenis biomassa seperti jagung, gandum, selulosa, alga [8] dan ampas tebu
[11] yang mana bahan baku ini berwujud padatan. Adapun bahan baku cair yang
pernah digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol adalah nira kelapa [12],
nira nipah (Nypa fructicans) [13] [14], dan nira aren (Arenga pinnata) [15] [16].
Kelebihan bahan baku cairan (nira) adalah karena nira merupakan larutan gula yang
dapat langsung memulai proses fermentasi sehingga dapat mempersingkat tahapan
produksi etanol [17]. Hal ini berbeda jika bahan baku berasal dari pati dan selulosa,
dimana pati harus melalui proses hidrolisis untuk masuk ke tahapan fermentasi gula
1
Universitas Sumatera Utara
sedangkan selulosa harus dikonversi terlebih dahulu untuk mendapatkan gula dengan
bantuan mineral asam [18].
Produk terpenting dari aren (Arenga pinnata) adalah nira [19]. Nira adalah cairan
manis yang diperoleh dari air perasan batang atau getah tandan bunga tanaman [20].
Nira biasanya dijadikan gula aren [21] namun saat ini para peneliti fokus terhadap
produksi bioetanol dari nira aren melalui proses fermentasi [22] karena kadar
gulanya yang tinggi 13,9-14,9% [23].
Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang pembuatan bietanol dari
berbagai bahan baku cair dan penggunaan mikroorganisme Saccharomyces
cerevisiae dapat dilihat pada tabel 1.1.
Pembuatan bioetanol berbahan baku gula dan pati melalui proses fermentasi
dengan bantuan mikroba S.cerevisiae adalah metode yang paling umum dan sering
digunakan di industri [6]. S.cerevisiae digunakan untuk memecah glukosa dalam
proses fermentasi [24] untuk menghasilkan kadar etanol yang tinggi [25].
Berdasarkan uraian di atas, maka penggunaan nira aren (Arenga pinnata) dengan
bantuan mikroorganisme (Saccharomyces cerevisiae) sangat berpotensi untuk
digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan bioetanol.
2
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Bioetanol dari Berbagai Bahan Baku dan Penggunaan Mikroorganisme
Saccharomyces cerevisiae
No
1
2
3
Nama
Fahrizal et al
Betiku &
Taiwa
Hadi dkk
Tahun
Judul Penelitian
2013
The Effect of Temperature and
Length of Fermentation on
Bioethanol Production from Arenga
Plant (Arenga pinnata MERR)
2014
Modeling and Optimization of
Bioethanol Production From
Breadfruit Starch Hydrolizate vis-àvis Response Surface Methodology
and Artificial Neural Network
2013
Karateristik dan Potensi Bioetanol
dari Nira Nipah (Nypa fructicans)
untuk Penerapan Skala Teknologi
Tepat Guna
Katalis
Variabel
Variabel tetap : Tanpa penambahan
nutrisi
Variabel berubah : waktu fermentasi
(72,96,120,144,168) jam, temperatur
(27oC dan 32oC)
Hasil
Kondisi optimal
dengan waktu
fermentasi 120 jam
dengan temperatur
32oC
Dry Yeast
Variabel tetap : Suhu 30 oC
Variabel berubah : waktu fermentasi
(6,12,18,24,30,36 jam), nutrisi (dengan
dan tanpa penambahan nutrisi), metode
optimasi (RSM & ANN)
Yield bioetanol:
RSM= 4,10%,
21,33 jam
ANN= 4,22%, 24
jam dengan
penambahan nutrisi
Saccharomyces
cerevisiae
Variabel tetap : suhu reaksi 25 oC - 30oC,
Variabel berubah : keadaan fermentasi
(terbuka, tidak sirkulasi dan tertutup,
sirkulasi dan tertutup)
Rendemen
bioetanol tertinggi
8,1% dengan kadar
4,3% pada tahap
fermentasi sirkulasi
dan tertutup
-
3
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Bioetanol dari Berbagai Bahan Baku dan Penggunaan Mikroorganisme
Saccharomyces cerevisiae
No
4
5
6
Nama
Kismurtono
Shahirah et al
Chairul dan
Yenti
Tahun
2012
2014
2013
Judul Penelitian
Fed Batch Alcoholic
Fermentation of Palm Juice
(Arenga pinnata Merr) :
Influence of The Feeding Rate
on Yeast, Yield and
Productivity
Influence of Nutrient Addition
on The Bioethanol Yield From
Oil Palm Trunk Sap Fermented
by Saccharomyces cerevisiae
Pembuatan Bioetanol dari Nira
Nipah Menggunakan
Sacharomyces cerevisiae
Katalis
Variabel
Hasil
Saccharomyces
cerevisiae
Variabel tetap : waktu fermentasi 24 jam
Variabel berubah : proses treatment
(p1,p2,p3,p4)
Yield bioetanol:
99,5% (25% volume
starter, 0,4% NPK, 5
% bread yeast)
Saccharomyces
cerevisiae
Variabel tetap : suhu reaksi 32 oC,
kecepatan pengadukan 170 rpm, pH 6,
jumlah penambahan nutrisi 0,2% berat
Variabel berubah : jenis nutrisi (Na2HPO4,
MgSO4, (NH4)2SO4, C3H7NO2), nutrisi
(dengan dan tanpa penambahan nutrisi
Yield bioetanol:
Tanpa nutrisi:
55,39%,
Terbaik dengan
penambahan nutrisi
MgSO4 81,89%
Variabel tetap : suhu kamar, volume starter
10%, kecepatan pengadukan 200 rpm,
Urea (46% N) 0,4 gr/l dan NPK (16% P)
0,5 gr/l
Variabel berubah : volume ragi (15 dan 20)
gr/l, waktu pengambilan sampel (24, 36,
48, 60, dan 72) jam, pH awal fermentasi
(4,5 ; 5,0, ; dan 5,5)
Volume etanol yang
dihasilkan 14% v/v)
pada kondisi
optimum (pH 4,5 ;
waktu fermentasi 36
jam ; dan massa ragi
15 gr/l)
Saccharomyces
cerevisiae
4
Universitas Sumatera Utara
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Adapun perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh
volume starter dan kecepatan agitasi terhadap kadar dan yield bioetanol yang
dihasilkan dalam proses fermentasi nira aren (Arenga pinnata Merr).
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mempelajari hubungan volume starter dan agitasi terhadap kadar bioetanol
hasil proses fermentasi nira aren.
2. Mempelajari hubungan volume starter dan agitasi terhadap yield bioetanol
hasil proses fermentasi nira aren.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dari penelitian yang dilakukan adalah :
1. Memberikan informasi mengenai pengaruh volume starter dan agitasi pada
proses fermentasi nira aren.
2. Mendapatkan data percobaan yang diperlukan untuk merancang dan
membangun unit pembuatan bioetanol dari nira aren untuk skala yang lebih
besar (scale up).
3. Memberikan informasi kepada masyarakat tentang bagaimana kualitas
bioetanol yang dihasilkan dari proses fermentasi nira aren sekaligus
meningkatkan nilai ekonomis dari nira aren tersebut.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Mikrobiologi Teknik Departemen
Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater USU
Medan, Indonesia.
Adapun bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini yaitu nira aren
sebagai bahan baku dan Sacharomycess cerevisiae sebagai biokatalis.
5
Universitas Sumatera Utara
Variabel-variabel yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
Variabel tetap :
1.
Suhu fermentasi
= suhu ruangan
2.
Nutrisi
= NPK 0,4% (m/m)
(Kismurtono, 2012)
3.
Waktu Fermentasi
= 24 jam
(Kismurtono, 2012)
Variabel berubah :
1.
Volume Starter
= 15%
25%
(Kismurtono, 2012)
35%
45%
55%
2.
Agitasi
= 75 rpm
100 rpm
(Ha et al, 2011)
125 rpm
Adapun analisis yang akan dilakukan di dalam penelitian ini adalah
oksidasi dengan kalium dikromat (K2Cr2O7), karakteristik gugus fungsi dengan
FTIR, pengukuran volume bioetanol yang dihasilkan, perhitungan densitas, kadar
bioetanol, specific gravity (sg), API Gravity dan nilai kalor.
6
Universitas Sumatera Utara