PEMBUATAN BIOETANOL DARI ECENG GONDOK DENGAN PROSES HIDROLISIS, FERMENTASI, DAN EKSTRAKSI SECARA TERPADU TESIS

  PEMBUATAN BIOETANOL DARI ECENG GONDOK DENGAN PROSES HIDROLISIS, FERMENTASI, DAN EKSTRAKSI SECARA TERPADU TESIS Oleh OKTA BANI 117022004/TK FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

  

SECARA TERPADU

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik

Pada Program Studi Teknik Kimia

  Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

OLEH

OKTA BANI

  

117022004/TK

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

  

2014

  PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Dr. Ir. Taslim, M.Si Anggota : - Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si - Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hsb, MT - Dr. Ir. Iriany, M.Si

  

ABSTRAK

Eceng gondok merupakan gulma air yang dianggap merusak dan susah diberantas.

  Salah satu cara pengendalian yang cukup menjanjikan adalah memanfaatkannya untuk produksi bioetanol. Penelitian terdahulu telah berhasil menghasilkan etanol dari eceng gondok, tetapi teknologi ini masih belum menguntungkan. Pemilihan tekonologi praperlakuan yang tepat dan produksi enzim secara on-site dianggap penting untuk menurunkan biaya produksi. Selain itu, penerapan proses daur-ulang dan ekstraksi secara simultan juga menjanjikan sebagai pengganti teknologi pemurnian yang banyak digunakan saat ini yaitu distilasi. Oleh karena itu, penelitian ini ditujukan untuk mengevaluasi kompatibilitas proses-proses tersebut dalam produksi bioetanol. Dalam penelitian ini, eceng gondok yang telah dihaluskan dihadapkan pada 4 jenis praperlakuan: dilute acid pretreatment (DAP), liquid hot

  

water (LHW), praperlakuan biologis, and tanpa praperlakuan. Kemudian, eceng

  gondok dihidrolisis dengan campuran selulase dari Tricoderma reesei dan

  

Aspergillus niger , dan difermentasi dengan Saccharomyces cerevisiae dan Candida

utilis . Kaldu fermentasi didaur-ulang langsung setelah penyaringan, dan biodiesel

  sawit digunakan sebagai pengekstrak. Magnesium sulfat ditambahkan untuk meningkatkan kualitas proses. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan DAP, penambahan inokulum C. utilis dan magnesium sulfat, serta ekstraksi dengan biodiesel sawit memberikan hasil positif. Daur ulang kaldu meningkatkan kadar etanol yang dicapai, tetapi menurunkan yield etanol yang dihasilkan.

  

Kata kunci: Bioetanol, eceng gondok, produksi enzim secara on-site, ekstraksi, daur

ulang.

  

ABSTRACT

Water hyacinth is an aquatic weed that is considered damaging and difficult to

eradicate. One promising way to control it is by utilizing it for bioethanol

production. Previous researches have successfully yielded ethanol from water

hyacinth, but this technology is yet to be profitable. Correct choice of pretreatment

and on-site enzyme production are considered important to cut the production cost.

In addition, integration of recycling process along with simultaneous extraction

seems promising as a substitute for existing purification technology (distillation).

Therefore, this study aimed to evaluate compatibility of these processes in the

production of bioethanol. In this study, pre-blended water hyacinth was subjected to

4 types of pretreatment: dilute acid pretreatment (DAP), liquid hot water (LHW),

biological, and without pretreatment. Afterwards, water hyacinth was hydrolyzed by

cellulase mixture from Tricoderma reesei and Aspergillus niger, and subsequently

fermented by Saccharomyces cerevisiae and Candida utilis. Fermentation broth was

directly recycled after filtration, and palm biodiesel was used as extractor.

Magnesium sulfate was added to enhance the process. Result favors the use of DAP

as pretreatment, addition of C. utilis inoculums and magnesium sulfate in

fermentation broth, as well as extraction by palm biodiesel. Broth recycling increase

ethanol level, but lowers ethanol yield.

  

Keywords: Bio ethanol, water hyacinth, onsite enzyme production, extraction,

recycle.

  Puji syukur Penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya Penulis dapat menyelesaikan Tesis yang berjudul:

  

PEMBUATAN BIOETANOL DARI ECENG GONDOK DENGAN PROSES

HIDROLISIS, FERMENTASI, DAN EKSTRAKSI SECARA TERPADU

  Dalam penyusunan tesis ini, Penulis mendapatkan bimbingan serta bantuan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini juga, Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku Ketua Komisi Pembimbing dan Ketua Program Studi Magister Teknik Kimia yang telah memberikan bimbingan, arahan dan bantuan dalam penyusunan Tesis ini; Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Anggota Komisi Pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan dalam penyusunan Tesis ini; Ibu Dr. Ir. Iriany, M.Si atas kesediaannya sebagai penguji Tesis ini; Ibu Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hsb, MT atas kesediaannya sebagai penguji Tesis ini; Ibu Feni Amriani, ST, MT atas bantuannya selama penelitian; Lembaga Pengelolaan Dana Pendidikan (LPDP) yang telah mendanai penelitian ini; dan rekan-rekan di Magister Teknik Kimia USU serta seluruh pihak yang telah membantu dan memberi dukungan dalam penyelesaian Tesis ini.

  Terima kasih sebesar-besarnya disampaikan secara khusus kepada kedua orang tua Penulis yang telah memberikan dukungan moral dan spiritual karena semua pencapaian Penulis adalah berkat keduanya.

  Dalam penyusunan Tesis ini, Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu, Penulis sangat mengharapkan saran dan kritik dari pembaca yang bersifat konstruktif demi kesempurnaan penulisan ini. Akhir kata, Penulis mengucapkan terima kasih.

  Medan, 24 Februari 2014 Penulis

  Okta Bani

RIWAYAT HIDUP

  Penulis lahir di Medan pada tanggal 1 Nopember 1988, merupakan anak kedua dari tiga bersaudara dari pasangan Bapak Darmadi dan Ibu Jang King.

  Pendidikan TK ditempuh di TK SUTOMO I MEDAN pada tahun 1992 - 1994, kemudian melanjutkan ke pendidikan sekolah dasar di SD SUTOMO I pada tahun 1994 – 2000, kemudian melanjutkan ke SLTP SUTOMO I pada tahun 2000 – 2003, dan SMA SUTOMO I pada tahun 2003 – 2006.

  Pada tahun 2006 Penulis melanjutkan pendidikan di Program Sarjana Teknik Kimia di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan lulus pada tahun 2011.

  Setelah itu Penulis mengambil program Magister Teknik Kimia di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

DAFTAR ISI

  Judul Halaman

  ABSTRAK ......................................................................................................... i ABSTRACT ....................................................................................................... ii KATA PENGANTAR ........................................................................................ iii RIWAYAT HIDUP ............................................................................................ v DAFTAR ISI ...................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xii DAFTAR TABEL .............................................................................................. xv DAFTAR SINGKATAN .................................................................................... xvii

  BAB I PENDAHULUAN ............................................................................. 1

  1.1. Latar Belakang Penelitian ......................................................... 1

  1.2. Perumusan Masalah .................................................................. 4

  1.3. Tujuan Penelitian ...................................................................... 5

  1.4. Manfaat Penelitian .................................................................... 5

  1.5. Lingkup Penelitian .................................................................... 5

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 8

  2.1. Eceng Gondok dalam Produksi Bioetanol ................................. 8

  2.2. Karakteristik dan Pola Perkembangbiakan Eceng Gondok ........ 9

  2.3. Dampak Ekologi, Kimia-Fisik dan Utilisasi Eceng Gondok ...... 11

  2.4. Danau Toba dan Masalah Eceng Gondok .................................. 13

  2.5. Ulasan Teknologi Produksi Bioetanol ....................................... 14

  2.5.1. Metode Praperlakuan ..................................................... 16

  2.5.2. Metode Hidrolisis .......................................................... 18

  2.5.3. Fermentasi dan Skema Proses Terpadu .......................... 23

  2.5.4. Strategi – Strategi yang Diterapkan untuk Meningkatkan Tiap Proses .................................................................... 24

  2.6. Produksi Bioetanol dari Eceng Gondok dan Perkembangannya . 25

  2.7. Komponen – Komponen dalam Produksi Bioetanol .................. 26

  2.7.1. Selulosa ......................................................................... 26

  2.7.2. Hemiselulosa ................................................................. 35

  2.7.3. Lignin ........................................................................... 36

  2.7.4. Struktur Mikrofibril Lignoselulosa ................................ 37

  2.8. Mikroorganisme dalam Produksi Bioetanol ............................... 38

  2.8.1. Trichoderma reesei ........................................................ 38

  2.8.2. Aspergillus niger ........................................................... 39

  2.8.3. Saccharomyces cerevisiae ............................................. 39

  2.8.4. Candida utilis ................................................................ 39

  2.8.5. Jamur Akar Putih........................................................... 40

  2.9. Modifikasi Proses dalam Produksi Bioetanol ............................ 40

  2.9.1. Ekstraksi dalam Produksi Bioetanol .............................. 40

  2.9.2. Co-Fermentasi Hemiselulosa ......................................... 43

  2.9.3. Sistem Fermentasi Non-Steril ........................................ 43

  2.9.4. Daur Ulang dalam Produksi Bioetanol ........................... 44

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 45

  3.1. Lokasi Penelitian ...................................................................... 45

  3.2. Bahan dan Peralatan .................................................................. 45

  3.3. Prosedur.................................................................................... 47

  3.3.1. Prosedur Pembenihan Isolat........................................... 48

  3.3.2. Prosedur Persiapan Inokulum ........................................ 49

  3.3.3. Prosedur Persiapan Eceng Gondok ................................ 49

  3.3.4. Prosedur Pembuatan Enzim ........................................... 50

  3.3.5. Prosedur Praperlakuan Eceng Gondok ........................... 50

  3.3.6. Prosedur Fermentasi Eceng Gondok .............................. 52

  3.3.7. Prosedur Daur Ulang Hidrolisat ..................................... 52

  3.3.8. Prosedur Analisis Densitas ............................................ 53

  3.3.9. Prosedur Analisis Viskositas ......................................... 53

  3.3.10. Prosedur Analisis pH ..................................................... 54

  3.3.11. Prosedur Analisis Kadar Hemiselulosa, Selulosa dan Lignin ........................................................................... 54

  3.3.12. Prosedur Analisis Kadar Air .......................................... 55

  3.3.13. Prosedur Analisis Kadar Gula ........................................ 56

  3.3.14. Prosedur Assay Enzim ................................................... 56

  3.3.15. Prosedur Analisis Kadar Etanol ..................................... 57

  3.4. Flowchart .................................................................................. 59

  3.4.1. Flowchart Pembenihan Isolat ......................................... 59

  3.4.2. Flowchart Persiapan Inokulum ...................................... 60

  3.4.3. Flowchart Persiapan Eceng Gondok .............................. 61

  3.4.4. Flowchart Pembuatan Enzim ......................................... 62

  3.4.5. Flowchart Praperlakuan Eceng Gondok ......................... 63

  3.4.6. Flowchart Fermentasi Eceng Gondok ............................ 64

  3.4.7. Flowchart Daur Ulang Hidrolisat ................................... 66

  3.4.8. Flowchart Analisis Densitas .......................................... 68

  3.4.9. Flowchart Analisis Viskositas........................................ 69

  3.4.10. Flowchart Analisis pH ................................................... 70

  3.4.11. Flowchart Analisis Kadar Hemiselulosa, Selulosa dan Lignin ........................................................................... 71

  3.4.12. Flowchart Analisis Kadar Air ........................................ 74

  3.4.13. Flowchart Analisis Kadar Gula ...................................... 75

  3.4.14. Flowchart Assay Enzim ................................................. 76

  3.4.15. Flowchart Analisis Kadar Etanol ................................... 77

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... 78

  4.1. Hasil Analisis Kondisi Awal ..................................................... 78

  4.2. Pengaruh Metode Praperlakuan pada Fermentasi ...................... 79

  4.3. Pengaruh Kadar Magnesium Sulfat pada Fermentasi ................. 81

  4.4. Pengaruh Durasi Fermentasi pada Fermentasi ........................... 82

  4.5. Pengaruh Pemilihan Mikroorganisme pada Fermentasi ............. 83

  4.6. Pengaruh Perbandingan Pelarut pada Fermentasi ...................... 85

  4.7. Pengaruh Daur Ulang pada Fermentasi ..................................... 87

  4.8. Data Densitas dan Viskositas Kaldu Fermentasi dan Pelarut ..... 89

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................... 92

  5.1. Kesimpulan ............................................................................... 92

  5.2. Saran ........................................................................................ 93 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 95 LAMPIRAN A DATA PENELITIAN ............................................................... 105

  A.1. Hasil Analisis Kadar Air Eceng Gondok ................................... 105 A.2. Hasil Analisis Kandungan Hemiselulosa-Selulosa-Lignin Eceng

  Gondok ..................................................................................... 105 A.3. Data dan Kurva Kalibrasi Larutan Etanol Standar ..................... 106 A.4. Data dan Kurva Kalibrasi Etanol-Biodiesel Sawit ..................... 106 A.5. Data Analisis GC Sampel .......................................................... 107 A.6. Data dan Kurva Kalibrasi Larutan Gula Standar ........................ 108 A.7. Data Analisis Spektrofotometer UV-

  Vis (λ = 540 nm) .............. 109 A.8. Data Densitas Kaldu Fermentasi ............................................... 110

  A.9. Data Densitas Pelarut ................................................................ 111 A.10. Data Viskositas Kaldu Fermentasi ............................................. 112 A.11. Data Viskositas Pelarut ............................................................. 113

  LAMPIRAN B IDENTITAS DATA .................................................................. 114 B.1. Identitas Data ............................................................................ 114

  LAMPIRAN C CONTOH PERHITUNGAN ..................................................... 115 C.1. Contoh Perhitungan Kadar Air .................................................. 115 C.2. Contoh Perhitungan Aktivitas Enzim ........................................ 115 C.3. Contoh Perhitungan Densitas Run 5 .......................................... 115 C.4. Contoh Perhitungan Viskositas Sampel Run 5 ........................... 116 C.5. Contoh Perhitungan Total Etanol per 50 ml Run 22 (dalam g/L)

  ................................................................................................. 116 C.6. Contoh Perhitungan Yield Etanol Run 22 (tanpa daur ulang)..... 117 C.7. Contoh Perhitungan Yield Etanol Run 23 (dengan daur ulang) .. 117

  LAMPIRAN D DOKUMENTASI ..................................................................... 118 D.1. Eceng Gondok .......................................................................... 118 D.2. Isolat Mikroorganisme .............................................................. 118 D.3. Contoh Tampilan GC ................................................................ 120

DAFTAR GAMBAR

  2.9. Representasi Struktur Lignin dan Lignols ................................................ 37

  3.6. Flowchart Fermentasi Eceng Gondok ...................................................... 64

  3.5. Flowchart Praperlakuan Eceng Gondok ................................................... 63

  3.4. Flowchart Pembuatan Enzim ................................................................... 62

  3.3. Flowchart Persiapan Eceng Gondok ........................................................ 61

  3.2. Flowchart Persiapan Inokulum ................................................................ 60

  3.1. Flowchart Pembenihan Isolat ................................................................... 59

  2.11. Ekstraksi Etanol dengan Minyak dan Turunannya ................................... 41

  2.10. Matriks Selulosa – Hemiselulosa – Lignin ............................................... 38

  Nomor Judul Halaman

  2.1. Spesies Eceng Gondok Umum ................................................................. 9

  2.7. Ringkasan Informasi Struktural Selulosa ................................................. 35

  dan Triklinik I β ........................................................................................ 34

  α

  2.6. Kiri: Unit Penyusun Selulosa, Selobiosa; Kanan: Fasa Selulosa Monoklinik I

  2.5. Berbagai Senyawa Turunan Hidrolisis Asam ........................................... 22

  2.4. Aktivitas Enzim dalam Hidrolisis Selulosa .............................................. 21

  2.3. Perubahan Struktur Mikro Akibat Praperlakuan ....................................... 18

  2.2. Tahapan dalam Produksi Bioetanol Secara Umum ................................... 15

  2.8. Representasi Struktur Hemiselulosa ......................................................... 36

  3.7. Flowchart Daur Ulang Hidrolisat ............................................................. 66

  C ..................................................................... 79

  4.8. Pengaruh daur ulang pada fermentasi ...................................................... 88

  4.7. Pengumpulan substrat di atas lapisan kaldu, baik disertai pelarut maupun tanpa pelarut ............................................................................................ 87

  4.6. Pengaruh rasio pelarut pada fermentasi .................................................... 86

  4.5. Pengaruh pemilihan mikroorganisme pada fermentasi ............................. 84

  4.4. Pengaruh durasi fermentasi pada fermentasi ............................................ 83

  4.3. Endapan pada sampel sewaktu dianalisa dengan metode DNS ................. 82

  4.2. Pengaruh kadar magnesium pada fermentasi............................................ 81

  o

  3.8. Flowchart Analisis Densitas .................................................................... 68

  4.1. Perbandingan berbagai metode praperlakuan dalam fermentasi selama 24 jam dalam inkubator pada 20

  3.15. Flowchart Analisis Kadar Etanol ............................................................. 77

  3.14. Flowchart Assay Enzim ........................................................................... 76

  3.13. Flowchart Analisis Kadar Gula ................................................................ 75

  3.12. Flowchart Analisis Kadar Air .................................................................. 74

  3.11. Flowchart Analisis Kadar Hemiselulosa, Selulosa dan Lignin ..................................................................................................... 71

  3.10. Flowchart Analisis pH ............................................................................. 70

  3.9. Flowchart Analisis Viskositas.................................................................. 69

  4.9. Data densitas kaldu fermentasi (kiri) dan pelarut (kanan) ......................... 90

  4.10. Data viskositas kaldu fermentasi (kiri) dan pelarut (kanan) ...................... 91 A.1. Kurva Kalibrasi Larutan Etanol Standar .................................................. 106 A.2. Kurva Kalibrasi Etanol-Biodiesel Sawit .................................................. 107 A.3. Kurva Kalibrasi Larutan Gula Standar ..................................................... 109 D.1. Eceng Gondok ......................................................................................... 118 D.2. Isolat Aspergillus niger ............................................................................ 118 D.3. Isolat Trichoderma reesei ........................................................................ 119 D.4. Isolat Candida utilis ................................................................................ 119 D.5. Isolat Ganoderma boninense ................................................................... 119 D.6. Contoh Tampilan GC .............................................................................. 120

DAFTAR TABEL

  Nomor Judul Halaman

  1.1. Ringkasan Penelitian Terdahulu .............................................................. 2

  2.1. Kandungan Hemiselulosa, Selulosa dan Lignin Eceng Gondok (basis kering) ................................................................................................................ 12

  2.2. Berbagai Metode Praperlakuan ................................................................ 19

  2.3. Skema Proses Terpadu dalam Produksi Bioetanol.................................... 24

  2.4. Berbagai Penelitian mengenai Bioetanol dari Eceng Gondok ................... 27

  4.1. Rangkuman Hasil Analisis Kondisi Awal ................................................ 78 A.1. Hasil Analisis Kadar Air Batang Eceng Gondok ...................................... 105 A.2. Hasil Analisis Kadar Air Daun Eceng Gondok ........................................ 105 A.3. Hasil Analisis Kadar Air Bubur Eceng Gondok ....................................... 105 A.4. Hasil Analisis Kandungan Hemiselulosa-Selulosa-Lignin Eceng Gondok

  ................................................................................................................ 105 A.5. Data Kurva Kalibrasi Larutan Etanol Standar .......................................... 106 A.6. Data Kurva Kalibrasi Etanol-Biodiesel Sawit .......................................... 106 A.7. Data Analisis GC Sampel ........................................................................ 107 A.8.

Data Kurva Kalibrasi Larutan Gula Standar (λ = 540 nm) ........................ 108

  A.9. Data Analisis Spektrofotometer Enzim .................................................... 109 A.10. Data Analisis Spektrofotometer Sampel .................................................. 109

  A.11. Data Densitas Kaldu Fermentasi .............................................................. 110 A.12. Data Densitas Pelarut .............................................................................. 111 A.13. Data Viskositas Kaldu Fermentasi ........................................................... 112 A.14. Data Viskositas Pelarut ............................................................................ 113 B.1. Identitas Tiap Run ................................................................................... 114

DAFTAR SINGKATAN

  DAP : Dilute Acid Pretreatment LHW : Liquid Hot Water HMF : Hidroksimetil Furfural SHF : Separated Hydrolysis and Fermentation SSF : Simultaneous Saccharification and Fermentation HHF : Hybird Hydrolysis and Fermentation SSCF : Simultaneous Saccharification and Cofermentation CBP : Consolidated Bioprocessing DMC : Direct Microbial Conversion PEG : Polietilen glikol BSA : Bovine serum albumin CG : Crude glycerol

  IL : Ionic Liquid

  IU : International Unit FPU : Filter Paper Unit FDA : Food and Drug Administration CMC : Karboksimetil selulosa DNS : Dinitro salisilat PDA : Potato dextrose agar