KINETIKA REAKSI HIDROLISIS PADA PROSES PEMBUATAN BIOETANOL DARI AMPAS TEBU DENGAN KATALIS ASAM SULFAT.

(1)

KINETIKA REAKSI HIDROLISIS

PADA PROSES PEMBUATAN BIOETANOL

DARI AMPAS TEBU DENGAN KATALIS ASAM

SULFAT

Skripsi

diajukan sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Kimia

Oleh

Fitriyatun Nur Jannah NIM. 5213412006 Noor Kholifah NIM. 5213412013

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

(2)

vi ABSTRAK

Fitriyatun Nur Jannah dan Noor Kholifah Tahun 2016

Kinetika Reaksi Hidrolisis pada Proses Pembuatan Bioetanol dari Ampas Tebu dengan Katalis Asam Sulfat

Pembimbing : Prima Astuti Handayani, S. T., M. T.

Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang

Ampas tebu merupakan limbah lignoselulosa yang masih terbatas pemanfaatannya. Ampas tebu mengandung selulosa sebesar 50%. Kebutuhan akan bahan bakar yang terus meningkat membuat persediaan bahan bakar fosil khususnya Indonesia semakin berkurang sehingga perlu adanya penelitian mengenai energi alternatif diantaranya bioetanol. Ampas tebu dapat dimanfaatkan menjadi bioetanol. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh suhu, konsentrasi katalis asam sulfat dan waktu reaksi terhadap yield glukosa yang dihasilkan melalui proses hidrolisis dengan metode Lane Eynon serta memperoleh model kinetika reaksi dan konstanta kecepatan reaksi hidrolisis dengan metode Runge-Kutta.

Bioetanol dibuat melalui proses hidrolisis, fermentasi dan distilasi. Ampas tebu sebanyak 10 g dihidrolisis menggunakan larutan H2SO4 (1M, 1,5M, 2M, 2,5M dan 3M) dengan perbandingan 1:25(b/v) pada suhu (700C, 800C, 900C dan 1000C) selama 2,5 jam dan diaduk dengan kecepatan pengaduk 950 rpm. Hidrolisat dilakukan uji kadar glukosa pada waktu reaksi hidrolisis (30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit dan 150 menit). Selanjutnya hidrolisat dilakukan proses fermentasi dan distilasi.

Hasil percobaan diperoleh yield glukosa tertinggi pada konsentasi 2,5 M suhu 1000C waktu reaksi selama 120 menit sebesar 62,92%. Pemodelan kinetika reaksi terjadi pada orde satu dengan nilai konstanta reaksi k = 186,79 exp-3.760,31/T dan Energi Aktivasi sebesar 31,263 kJ/mol.

(3)

1 BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Ampas tebu merupakan limbah pabrik gula dan salah satu bahan lignoselulosa yang masih terbatas pemanfaatannya. Ampas tebu dimanfaatkan oleh pabrik gula sebagai bahan bakar boiler untuk penggerak turbin yang mana merupakan penyedia listrik yang utama untuk kelangsungan proses di Pabrik. Ampas tebu terdiri atas tiga komponen utama, yaitu selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Berdasarkan data dari Pusat Penelitian Perkebunan Gula Indonesia (P3GI), ampas tebu yang dihasilkan di Pabrik Gula sebanyak 32% dari berat tebu yang digiling. Ampas tebu yang sudah dimanfaatkan sebagai bahan bakar boiler sebanyak 60% dari total ampas tebu yang dihasilkan. Oleh karena itu diperkirakan sebanyak 40% dari ampas tebu tersebut belum dimanfaatkan (Husin dalam Oktavia, 2014).

Kebutuhan energi di Indonesia pada saat ini sebagian besar masih disuplai dari bahan bakar fosil. Kebutuhan akan bahan bakar yang terus meningkat membuat persediaan bahan bakar fosil di dunia khususnya Indonesia semakin berkurang. Keadaan ini semakin menekankan tentang pentingnya penelitian mengenai energi alternatif pengganti bahan bakar, diantaranya yaitu bioetanol. Bioetanol memiliki karakteristik yang lebih baik dibandingkan dengan bensin karena dapat meningkatkan efisiensi pembakaran (Hambali dkk, 2007) dan mengurangi emisi gas rumah kaca (Costello dan Chum, 1998).

Bioetanol adalah etanol yang diperoleh dari proses fermentasi bahan-bahan karbohidrat atau lignoselulosa menggunakan bantuan mikroorganisme. Bioetanol dapat dibuat dari tiga jenis bahan baku, yaitu bahan berserat (selulosa), bahan yang mengandung sukrosa, serta bahan yang mengandung pati misalnya biji-bijian. Secara umum proses pembuatan bioetanol diawali dengan proses hidrolisis dan proses fermentasi. Proses hidrolisis adalah proses penguraian suatu senyawa polisakarida dengan air

(4)

2 agar senyawa tersebut pecah dan terurai menjadi monosakarida (glukosa). Fermentasi merupakan proses mikrobiologi dimana terjadi peruraian senyawa kompleks menjadi sederhana dengan bantuan mikroorganisme sehingga menghasilkan energi (Perry dkk, 1999).

Proses hidrolisis adalah proses yang digunakan untuk memperoleh kadar glukosa tinggi. Beberapa cara hidrolisis selulosa yaitu hidrolisis enzimatis, hidrolisis asam encer, dan hidrolisis asam pekat. Hidrolisis enzimatis menggunakan bantuan enzim, sedangkan hidrolisis asam pekat menggunakan konsentrasi asam yang tinggi, seperti HCl 40 % (b/b), H2SO4 60 % (b/b) atau HF 90 % (b/b). Menurut Rohajatien dalam Kardono (2010) hidrolisis menggunakan asam sulfat (H2SO4) mampu menghasilkan yield yang lebih besar dibandingkan menggunakan asam klorida (HCl).

Proses hidrolisis merupakan salah satu tahap yang sangat penting, karena proses ini bertujuan untuk menghasilkan glukosa sebanyak-banyaknya, dimana glukosa adalah bahan yang akan difermentasi menjadi etanol. Katalis yang digunakan adalah asam sulfat karena bisa menghasilkan yield yang lebih tinggi dibandingkan dengan katalis asam klorida. Oleh karena itu peneliti tertarik untuk mengkaji tentang kinetika reaksi hidrolisis ampas tebu dengan katalis asam sulfat untuk mengetahui kadar glukosa optimum yang diperoleh melalui proses hidrolisis pada proses pembuatan bioetanol.

1.2 Identifikasi Masalah

Upaya pengembangan teknologi pembuatan etanol berbasis lignoselulosa tumbuhan merupakan salah satu upaya untuk mengadaptasi proses hidrolisis bahan lignoselulosa berbasis kayu yang selama ini sudah dilakukan. Kardono (2010) telah melakukan penelitian mengenai proses hidrolisis selulosa dari batang pisang secara kimia dan enzimatis dan pemodelan matematika yang digunakan untuk memprediksi konsentrasi glukosa. Pada penelitiannya tersebut Kardono memberikan saran agar

(5)

3 dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menggunakan jenis biomassa lignoselulosa yang lainnya.

Penelitian serupa menggunakan bahan ampas tebu sudah dilakukan oleh Artati dkk, (2010) dengan fokus penelitian pada reaksi hidrolisis menggunakan asam sulfat pekat. Pada penelitian tersebut diperoleh pengaruh suhu terhadap konstanta kecepatan reaksi hidrolisis ampas tebu.

Berdasarkan identifikasi masalah tersebut maka peneliti tertarik untuk meneliti tentang pengaruh suhu, waktu reaksi, dan konsentrasi katalis asam sulfat terhadap yield glukosa pada reaksi hidrolisis ampas tebu pada proses pembuatan bioetanol. Selain itu penelitian ini bermaksud untuk memodelkan kinetika reaksi hidrolisis tersebut.

1.3 Pembatasan Masalah

Berdasarkan identifikasi masalah tersebut, maka peneliti menetapkan masalah yang akan diteliti dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Bahan baku yang digunakan untuk membuat bioetanol adalah ampas

tebu.

2. Masalah yang akan dikaji yaitu mengenai reaksi hidrolisis ampas tebu menjadi glukosa.

3. Katalis yang digunakan pada proses hidrolisis ampas tebu adalah asam sulfat.

4. Variabel tetap dalam penelitian ini adalah perbandingan berat ampas tebu dan katalis, sedangkan variabel bebas dalam penelitian ini adalah konsentrasi katalis, suhu reaksi hidrolisis, dan waktu reaksi hidrolisis.

1.4 Perumusan Masalah

1. Bagaimana pengaruh konsentrasi katalis H2SO4 terhadap yield glukosa pada reaksi hidrolisis ampas tebu?

2. Bagaimana pengaruh suhu terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis ampas tebu?

(6)

4 3. Bagaimana pengaruh waktu terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis

ampas tebu?

4. Bagaimana model kinetika reaksi hidrolisis dan nilai konstanta reaksi hidrolisis?

1.5 Tujuan Penelitian

1. Mengetahui pengaruh konsentrasi katalis H2SO4 terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis ampas tebu.

2. Mengetahui pengaruh suhu terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis ampas tebu.

3. Mengetahui pengaruh waktu terhadap yield glukosa reaksi hidrolisis ampas tebu.

4. Memperoleh model kinetika reaksi dan konstanta kecepatan reaksi hidrolisis.

1.6 Manfaat Penelitian a. Masyarakat

1. Memberikan informasi kepada masyarakat mengenai pemanfaatan limbah ampas tebu menjadi bioetanol sebagai energi alternatif pengganti bahan bakar fosil.

2. Memberikan solusi terhadap krisis energi dengan pembuatan bioetanol berbasis bahan alam terbarukan.

b. Ilmu Pengetahuan dan Teknologi

1. Mengembangkan pengetahuan tentang kinetika reaksi hidrolisis ampas tebu.

2. Membuat model kinetika reaksi hidrolisis pada konversi ampas tebu menjadi glukosa.

(7)

45 DAFTAR PUSTAKA

Anggraeni, Putri, dkk. 2013. Hidrolisis Selulosa Eceng Gondok (Eichhornia Crassipe) Menjadi Glukosa dengan Katalis Arang Aktif Tersulfonasi. Jurnal Teknologi Kimia dan Industri, Vol. 2 No. 3 Hal 63-69. Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Diponegoro.

Apriyantono, A., dkk. 1989. Analisis Kadar Serat Kasar. Jakarta : Gramedia Pustaka Utama.

Artati, E.K., Margareta Novia E., dan Vissia Widhie H. 2010. Konstanta Kecepatan Reaksi Sebagai Fungsi Suhu pada Reaksi Hidrolisa Selulosa dari Ampas Tebu dengan Katalisator Asam Sulfat. Jurnal Ekuilibrum 9(1) : 1-4. Surakarta: Universitas Sebelas Maret.

Azizah, N, dkk. 2012. Pengaruh Lama Fermentasi Terhadap Kadar Alkohol, pH, dan Produksi Gas pada Proses Fermentasi Bioetanol dari Whey dengan Substitusi Kulit Nanas. Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan. Vol. 1 No. 2 Hal 72-77.

Badan Koordinasi Energi Nasional (BAROKEN). 2005. Blue Print Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025. Departemen ESDM. Jakarta.

Badger, P.C. 2002. Ethanol from cellulose: A general review. Janick and A. Whipkey (Ed.). Trends in New Crops and New Uses. ASHS Press,

Alexandria, VA: 17−21.

Blanch, H.W. dan Douglas S.C. 1996. Biochemical Engineering. Marcel Dekker Inc. New York: 618.

Brandberg, Thomas dkk. 2005. Continous Fermentation of Undetoxified Dilute Acid Lignocellulose Hydrolysate by Saccaromyces Cerevisae ATCC 96581 Using Cell Recicurlation. Biotechnology Progress, 21, 1093-1101.

Costello, R. dan H. Chum. 1998. Biomass, bioenergy and carbon management.

Wichert (Ed.). Bioenergy ’98: Expanding Bioenergy Partnerships. Omni

(8)

46 Fatmawati, A dan Rudy Agustriyanto. 2015. Model Dinamika Orde Satu untuk Menentukan Parameter Kinetika Reaksi Hidrolisa Enzimatis Sabut Kelapa. Seminar Nasional Teknik Kimia Soebardjo Brotohardjo XI. Program Studi Teknik Kimia, Fakultas teknik, Universitas Surabaya.

Fuadi, A. M. dkk, 2015. Pengaruh Suhu dan pH terhadap Banyaknya Yield (Kadar Glukosa) yang Dihasilkan pada Proses Hidrolisis Enzimatis dari Limbah Kertas. Simposium Nasional RAPI XIV. Hal 179-185. ISSN 1412-9612. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Fujita, M. and H. Harada. 1991. Ultrastructure and formation of wood cell wall. D.N.S. Hon and N. Shiraishi (Ed.). Wood and Cellulosic Chemistry. Marcel Dekker,Inc., New York: 3–57

Girisuta, B. 2007. Levulinic acid from lignocellulosic biomass. Chemical Engineering Department. Groningen, University of Groningen. Doctoral. Goverment of India. 2012. Methods For Sampling and Analysis for Sugar

Confectionery. Tabel 2: IS 6287:1985. Food Safety and Standards Authority of India Ministry of Health and Family Welfare. New Dehli. India.

Hambali, E dkk, 2007. Teknologi Bioenergi. Agromedia Pustaka. Jakarta.

Harianja, Jhon Wesly, dkk. 2015. Optimasi Jenis dan Konsentrasi Asam pada Hidrolisis Selulosa dalam Tongkol Jagung. Volume 4(4) Hal. 66-71. ISSN 2303-1077. Program Studi Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Tanjungpura. Hayn, M., W. Steiner, R. Klinger, H. Steinmuller,M. Sinner, and H. Esterbauer. 1993. Basic research and pilot studies on the enzymatic conversion of lignocellulosics. p. 33–72. InJ.N. Saddler (Ed.). Bioconversion of Forestand Agricultural Plant Residues. CAB International, Wallingford.

Hermiati, dkk. 2010. Pemanfaatan Biomassa Lignoselulosa Ampas Tebu untuk Produksi Bioetanol. Jurnal Litbang Pertanian 29(4). Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

(9)

47 Kardono, L. Broto S. 2010. Teknologi Pembuatan Etanol Berbasis Lignoslulosa Tumbuhan Tropis untuk Produksi Biogasoline. Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Jakarta.

Kartika, B., Sutanti, R., Nuzulis, A. 1992. Petunjuk Evaluasi Produk Industri Hasil Pertanian. Yogyakarta: PAU Pangan dan Gizi UGM.

Kurniawan, dkk. 2014. Kurva Kalibrasi Sistem Biner Etanol-Air. Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang.

Lankinen, P. 2004. Ligninolytic Enzymes of The Basidiomycetous Fungi Agaricus Bisporus and Phlebia Radiata on Lignocellulose-Containing Media, Helsinski.

Matz, S.A. 1970. Sereal Technology. The Avi Publishing, Co. Inc. West Port, Connecticut.

McKee, dkk. 1996. Biochemistry. Chicago:Mc Grow- Hill.

Megawati. 2015. Bioetanol Generasi Kedua. Yogyakarta: Graha Ilmu.

Megawati, dkk. 2013. Optimasi Mikroskopis Monte Carlo Method dan Makroskopis Response Surface Methodology pada Hidrolisis Lignoselulosa untuk Pembuatan Etanol. Laporan Tahunan Fundamental DIPA. Universitas Negeri Semarang. Semarang.

Megawati. 2012. Buku Ajar Teknik Kimia. Program Studi S1 Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang.

Oktavia, Ferys Ika, Bambang Dwi Argo dan Musthofa Lutfi. 2014. Hidrolisis Enzimatis Ampas Tebu (Bagasse) Memanfaatkan Enzim Selulase dari Mikrofungi Trichoderma Reseei dan Aspergillus Niger Sebagai Katalisator Dengan Pretratment Microwave. Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pangan, Universitas Brawijaya.

Osvaldo Z. S., dkk. 2012. Pengaruh Konsentrasi Asam dan Waktu pada Proses Hidrolisis dan Fermentasi Pembuatan Bioetanol dari Alang-Alang. Jurnal Teknik Kimia No. 2 Vol. 18 Hal 52-62. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya.

(10)

48 P3GI. 2010. Laporan Produksi Giling Tahun 2009 PTPN/PT Gula di Indonesia.

PusatPenelitian Perkebunan Gula Indonesia (P3GI). Pasuruan.

Perry, dkk. 1999. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook 7th Edition. McGraw-Hill. New York.

Philipp. 1984. Degradation of Cellulose-Mechanisms and Applications. Pure Appl. Chem., 56, 391-402.

Prawati, Poppy. 2015. Pembuatan Bioetanol dari Tepung Ampas Tebu Melalui Proses Hidrolisis Termal dan Fermentasi: Pengaruh pH, Jenis Ragi dan Waktu Fermentasi. Skripsi. Departemen Teknik kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Sassner, Per dkk. 2008. Steam Pretreatment of H2SO4 – Impregnated Salix for The Production of Bioethanol. Bioresource Technology:137-145. Departement of Chemical Engineering, Lund University, Sweden.

Science Stuff, lnc. 2009. Material safety data sheet (MSDS) Asam sulfat. http://www.sciencestuff.com/msds/C2784.html Diakses pada 30 Agustus 2016 pukul 14:45 WIB

Sudarmadji. S. 1984. Prosedur Analisa untuk Bahan Makanan dan Pertanian. Edisi Ketiga. Cetakan Pertama. Yogyakarta : Liberty.

Sukmawati, R. dan Milati S. 2009. Pembuatan Bioetanol dari Kulit Singkong. Program Studi D III Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Supriyanto. 2006. Runge-Kutta Orde Empat. Universitas Indonesia. Jakarta. Suri, Annisa. 2012. Pengaruh Lama Fermentasi dan Berat Ragi Roti Terhadap

Kadar Bioetanol dari Fermentasi Glukosa Hasil Hidrolisis Selulosa Tandan Kosong Kelapa Sawit ( Elaeis Guineensis Jack ) Dengan HCl 30%. Skripsi. Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Medan.

Taherzadeh, M. J. 1999. “Ethanol from Lignocellulose: Physiological Effects of Inhibitors and Fermentation Strategies”. PhD Thesis. Chalmers University of Technology. Goteborg. Sweden.

(11)

49 Tursiloadi, Galih, K.S dan Nasih, S. 2009. Model Matematika Proses Hidrolisis Selulosa Menjadi Glukosa Menggunakan Katalis Asam Encer. J. Tek. Ind Pert. 19(3):164-169.

Tjokroadikoesoemo, S. 1986. “ HFS dan Industri Ubi Kayu Lainnya”. PT Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.

(1)