Pengaruh Suhu dan Volume Starter Dalam Pembuatan Bioetanol Dari Nira Aren (Arenga Pinnata Merr)
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Sumber energi utama yang digunakan saat ini berasal dari bahan bakar
konvensional [1]. Bahkan di negara-negara berkembang, termasuk Indonesia,
konsumsi energi yang berasal dari bahan tak terbarukan mencapai 90 % dari total
energi yang digunakan. Yang mana sumber bahan bakarnya diimpor dari negara
lain [2].
Sektor transportasi mengkonsumsi energi paling besar, yakni 27% dari total
kebutuhan energi dunia [3] Hal ini menyebabkan tekanan pada pasokan minyak,
emisi CO2 ke atmosfer dan mendorong terjadinya perubahan iklim [2].
Untuk mengatasi krisis energi dunia, telah banyak dilakukan usaha
diversifikasi sumber energi seperti pemanfaatan limbah pertanian, hasil
perkebunan dan kehutanan, serta pengembangan alternatif lain seperti biobriket
yang digunakan untuk kebutuhan rumah tangga, biodiesel yang digunakan sebagai
bahan campuran diesel maupun gasohol yang merupakan campuran bioetanol dan
bensin [1].
Bioetanol (C2H5OH) adalah cairan biokimia yang merupakan produk hasil
proses fermentasi gula dari karbohidrat dengan bantuan mikroorganisme [4] dan
memiliki sifat seperti minyak premium [1]. Bioetanol menjadi perhatian dunia
dewasa ini karena potensinya yang besar sebagai alternatif bahan bakar terbarukan
untuk mengantikan bahan bakar fosil [5], memiliki manfaat besar dalam bidang
ekonomi, ramah lingkungan [1], dan merupakan teknologi biofuel yang paling
efisien untuk menurunkan emisi gas rumah kaca secara signifikan [5].
Saat ini, produksi bioetanol sangat bergantung pada pati, gula, dan
lignoselulosa [6]. Beberapa penelitian bioetanol menggunakan bahan baku kaya
akan pati dan lignoselulosa seperti ampas tebu [3], jagung [7], jerami gandum [8]
dan ubi kayu [9] yang mana bahan baku ini berwujud padatan. Adapun bahan
baku cair yang pernah digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol adalah
nira kelapa [4] dan nira aren (Arenga pinnata Merr) [10]. Kelebihan bahan baku
cairan (nira) adalah karena nira merupakan larutan gula yang dapat langsung
1
Universitas Sumatera Utara
memulai proses fermentasi sehingga dapat mempersingkat tahapan produksi
etanol [11]. Hal ini berbeda jika bahan baku berasal dari pati dan selulosa, dimana
pati harus melalui proses hidrolisis untuk masuk ke tahapan fermentasi gula
sedangkan selulosa harus dikonversi terlebih dahulu untuk mendapatkan gula
dengan bantuan mineral asam [12].
Aren (Arenga pinnata Merr) merupakan tanaman dengan produk utamanya
adalah nira aren [13]. Produksi nira aren dapat mencapai 10-12 liter
nira/pohon/hari [14] dengan kandungan total gula dalam nira aren berkisar 6-16 %
sehingga sangat berpotensi untuk dijadikan sumber bahan baku dalam pembuatan
etanol [11]. Selain itu tanamen aren mudah untuk dibudidayakan karena daya
adaptasinya yang tinggi terhadap berbagai kondisi lahan termasuk lahan kritis dan
kondisi agroklimat serta dapat berperan sebagai tanaman konservasi tanah dan air
[15]. Oleh karena itu, produktivitas bioetanol yang dapat dihasilkan oleh tanaman
aren mencapai 20.160 liter/ha/tahun dan angka ini sangat tinggi dibandingkan
sumber bahan baku lainnya seperti ubi kayu, tebu, sagu dan gandum manis [16].
Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang pembuatan bietanol dari
bahan baku dan penggunaan mikroorganisme Saccharomyces cerevisiae dapat
dilihat pada table 1.1.
Metode fermentasi dengan bantuan mikroba adalah metode yang paling umum
digunakan untuk proses pembuatan bietanol dari biomassa [17]. Pembuatan
bioetanol dengan proses fermentasi dapat dilakukan hanya dengan bahan baku
yang mengandung gula [18]. Beberapa penelitian menggunakan beberapa jenis
mikroorganisme untuk memproduksi bioetanol, seperti E. mundtii QU 25 NITE
BP-965 [19], Saccharomyces cerevisiae Y-2034 dan Pachysolan tannophilus Y2460 [20] dan Saccharomyces cerevisiae sebagai biokatalis tunggal [21].
Saccharomyces cerevisiae digunakan untuk memecah glukosa dalam proses
fermentasi [22] untuk menghasilkan kadar etanol yang tinggi [23].
Berdasarkan uraian di atas, maka penggunaan nira aren (Arenga pinnata Merr)
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
Nama
Fahrizal et al
Tahun
2013
Judul Penelitian
Katalis
Variabel
Hasil
Variabel tetap : Tanpa penambahan
nutrisi
The Effect of Temperature and
Length of Fermentation on
Bioethanol Production from Arenga
Plant (Arenga pinnata MERR)
-
Variabel berubah : waktu fermentasi (72,
96, 120, 144, 168) jam, temperatur (27
o
C dan 32 oC)
Kondisi optimal
dengan waktu
fermentasi 120 jam
dengan temperatur
32oC
Yield bioetanol:
2
3
Abdullah et
al
Shahirah et al
2014
2014
Fresh Oil Palm Frond Juice as a
Renewable, Non-Food, NonCellulosic and Complete Medium
For Direct Bioethanol Production
Influence of Nutrient Addition on
The Bioethanol Yield From Oil Palm
Trunk Sap Fermented by
Saccharomyces cerevisiae
Saccharom
yces
cerevisiae
Saccharom
yces
cerevisiae
Variabel tetap : kecepatan pengadukan
150 rpm, suhu 30 oC
Variabel berubah : bahan baku (OPF,
sugarcane), waktu (24, 48)
Sugarcane= 0,38
g/g, 48 jam
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
OPF= 0,38 g/g, 24
jam
Yield bioetanol
tanpa nutrisi:
55,39%,
Terbaik dengan
penambahan nutrisi
MgSO4 81,89%
3
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Bioetanol dari Berbagai Bahan Baku dan Penggunaan Mikroorganisme
Saccharomyces cerevisiae (Lanjutan)
No
4
5
Nama
Kismurtono
Dodic et al
Tahun
Judul Penelitian
Katalis
Variabel
Saccharomy
ces
cerevisiae
Variabel tetap : waktu fermentasi 24 jam
2012
Fed Batch Alcoholic Fermentation of
Palm Juice (Arenga pinnata Merr) :
Influence of The Feeding Rate on
Yeast, Yield and Productivity
2009
Bioethanol Production From Thick
Juice as Intermediate of Sugar Beet
Processing
Saccharomy
ces
cerevisiae
Variabel berubah : proses treatment
(p1,p2,p3,p4)
Variabel tetap : waktu reaksi 72 jam,
kecepatan pengadukan 200 rpm, suhu 30
o
C
Variabel berubah: konsentrasi total gula
(5,10,15,20,25% w/w)
Waktu 60 jam, suhu (30,35,37,40 oC).
6
Hasyem &
Darwish
2010
Production of Bioethanol and
Associated by-Products From Potato
Starch Residue Stream by
Saccharomyces cerevisiae
Nutrisi ZnCl2.7H2O
Saccharomy
ces
cerevisiae
(0,0;0,1;0,2;0,3;0,4;0,5;0,6;0,7;0,8;0,9 %)
NH4NO2
(0,0;0,5;1,0;1,5;2,0;2,5;3,0;3,5;4,0;4,5 %)
Hasil
Yield bioetanol:
99,5% (25%
volume starter,
0,4% NPK, 5 %
bread yeast)
Konsentrasi
optimal saat
total gula 20%
dengan
konsentrasi
maximum etanol
12% v/v
Yield etanol 5,52
g/L 35oC setelah
36 jam ketika
penambahan
ZnCl2.7H2O.
penambahan
NH4NO2 tidak
memberikan
efek yang
signifikan
4
Universitas Sumatera Utara
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Adapun perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh
suhu dan volume starter 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 suhu dan volume starter terhadap kadar bioetanol hasil
proses fermentasi nira aren.
2. Mempelajari hubungan suhu dan volume starter terhadap yield bioetanol hasil
proses fermentasi nira aren.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dari penelitian yang dilakukan adalah :
1. Memberikan informasi mengenai pengaruh suhu dan volume starter 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
(Arenga pinnata Merr) sebagai bahan baku dan Sacharomyces cerevisiae sebagai
biokatalis.
5
Universitas Sumatera Utara
Variabel-variabel yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
Variabel tetap :
1. Waktu fermentasi
= 24 jam
[21]
2.
= NPK 0,4% (m/m)
[21]
= 32 oC
[10]
Nutrisi
Variabel berubah :
1. Suhu
o
35 C
39 oC
2. Volume Starter
= 15%
25%
[21]
35%
45%
55%
Adapun analisis yang akan dilakukan di dalam penelitian ini adalah analisis
Fourier Transform Infra Red (FTIR), oksidasi dengan kalium dikromat
(K2Cr2O7), pengukuran volume bioetanol, perhitungan densitas, kadar bioetanol,
specific gravity (sg), API Gravity dan nilai kalor.
6
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Sumber energi utama yang digunakan saat ini berasal dari bahan bakar
konvensional [1]. Bahkan di negara-negara berkembang, termasuk Indonesia,
konsumsi energi yang berasal dari bahan tak terbarukan mencapai 90 % dari total
energi yang digunakan. Yang mana sumber bahan bakarnya diimpor dari negara
lain [2].
Sektor transportasi mengkonsumsi energi paling besar, yakni 27% dari total
kebutuhan energi dunia [3] Hal ini menyebabkan tekanan pada pasokan minyak,
emisi CO2 ke atmosfer dan mendorong terjadinya perubahan iklim [2].
Untuk mengatasi krisis energi dunia, telah banyak dilakukan usaha
diversifikasi sumber energi seperti pemanfaatan limbah pertanian, hasil
perkebunan dan kehutanan, serta pengembangan alternatif lain seperti biobriket
yang digunakan untuk kebutuhan rumah tangga, biodiesel yang digunakan sebagai
bahan campuran diesel maupun gasohol yang merupakan campuran bioetanol dan
bensin [1].
Bioetanol (C2H5OH) adalah cairan biokimia yang merupakan produk hasil
proses fermentasi gula dari karbohidrat dengan bantuan mikroorganisme [4] dan
memiliki sifat seperti minyak premium [1]. Bioetanol menjadi perhatian dunia
dewasa ini karena potensinya yang besar sebagai alternatif bahan bakar terbarukan
untuk mengantikan bahan bakar fosil [5], memiliki manfaat besar dalam bidang
ekonomi, ramah lingkungan [1], dan merupakan teknologi biofuel yang paling
efisien untuk menurunkan emisi gas rumah kaca secara signifikan [5].
Saat ini, produksi bioetanol sangat bergantung pada pati, gula, dan
lignoselulosa [6]. Beberapa penelitian bioetanol menggunakan bahan baku kaya
akan pati dan lignoselulosa seperti ampas tebu [3], jagung [7], jerami gandum [8]
dan ubi kayu [9] yang mana bahan baku ini berwujud padatan. Adapun bahan
baku cair yang pernah digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol adalah
nira kelapa [4] dan nira aren (Arenga pinnata Merr) [10]. Kelebihan bahan baku
cairan (nira) adalah karena nira merupakan larutan gula yang dapat langsung
1
Universitas Sumatera Utara
memulai proses fermentasi sehingga dapat mempersingkat tahapan produksi
etanol [11]. Hal ini berbeda jika bahan baku berasal dari pati dan selulosa, dimana
pati harus melalui proses hidrolisis untuk masuk ke tahapan fermentasi gula
sedangkan selulosa harus dikonversi terlebih dahulu untuk mendapatkan gula
dengan bantuan mineral asam [12].
Aren (Arenga pinnata Merr) merupakan tanaman dengan produk utamanya
adalah nira aren [13]. Produksi nira aren dapat mencapai 10-12 liter
nira/pohon/hari [14] dengan kandungan total gula dalam nira aren berkisar 6-16 %
sehingga sangat berpotensi untuk dijadikan sumber bahan baku dalam pembuatan
etanol [11]. Selain itu tanamen aren mudah untuk dibudidayakan karena daya
adaptasinya yang tinggi terhadap berbagai kondisi lahan termasuk lahan kritis dan
kondisi agroklimat serta dapat berperan sebagai tanaman konservasi tanah dan air
[15]. Oleh karena itu, produktivitas bioetanol yang dapat dihasilkan oleh tanaman
aren mencapai 20.160 liter/ha/tahun dan angka ini sangat tinggi dibandingkan
sumber bahan baku lainnya seperti ubi kayu, tebu, sagu dan gandum manis [16].
Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang pembuatan bietanol dari
bahan baku dan penggunaan mikroorganisme Saccharomyces cerevisiae dapat
dilihat pada table 1.1.
Metode fermentasi dengan bantuan mikroba adalah metode yang paling umum
digunakan untuk proses pembuatan bietanol dari biomassa [17]. Pembuatan
bioetanol dengan proses fermentasi dapat dilakukan hanya dengan bahan baku
yang mengandung gula [18]. Beberapa penelitian menggunakan beberapa jenis
mikroorganisme untuk memproduksi bioetanol, seperti E. mundtii QU 25 NITE
BP-965 [19], Saccharomyces cerevisiae Y-2034 dan Pachysolan tannophilus Y2460 [20] dan Saccharomyces cerevisiae sebagai biokatalis tunggal [21].
Saccharomyces cerevisiae digunakan untuk memecah glukosa dalam proses
fermentasi [22] untuk menghasilkan kadar etanol yang tinggi [23].
Berdasarkan uraian di atas, maka penggunaan nira aren (Arenga pinnata Merr)
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
Nama
Fahrizal et al
Tahun
2013
Judul Penelitian
Katalis
Variabel
Hasil
Variabel tetap : Tanpa penambahan
nutrisi
The Effect of Temperature and
Length of Fermentation on
Bioethanol Production from Arenga
Plant (Arenga pinnata MERR)
-
Variabel berubah : waktu fermentasi (72,
96, 120, 144, 168) jam, temperatur (27
o
C dan 32 oC)
Kondisi optimal
dengan waktu
fermentasi 120 jam
dengan temperatur
32oC
Yield bioetanol:
2
3
Abdullah et
al
Shahirah et al
2014
2014
Fresh Oil Palm Frond Juice as a
Renewable, Non-Food, NonCellulosic and Complete Medium
For Direct Bioethanol Production
Influence of Nutrient Addition on
The Bioethanol Yield From Oil Palm
Trunk Sap Fermented by
Saccharomyces cerevisiae
Saccharom
yces
cerevisiae
Saccharom
yces
cerevisiae
Variabel tetap : kecepatan pengadukan
150 rpm, suhu 30 oC
Variabel berubah : bahan baku (OPF,
sugarcane), waktu (24, 48)
Sugarcane= 0,38
g/g, 48 jam
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
OPF= 0,38 g/g, 24
jam
Yield bioetanol
tanpa nutrisi:
55,39%,
Terbaik dengan
penambahan nutrisi
MgSO4 81,89%
3
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Bioetanol dari Berbagai Bahan Baku dan Penggunaan Mikroorganisme
Saccharomyces cerevisiae (Lanjutan)
No
4
5
Nama
Kismurtono
Dodic et al
Tahun
Judul Penelitian
Katalis
Variabel
Saccharomy
ces
cerevisiae
Variabel tetap : waktu fermentasi 24 jam
2012
Fed Batch Alcoholic Fermentation of
Palm Juice (Arenga pinnata Merr) :
Influence of The Feeding Rate on
Yeast, Yield and Productivity
2009
Bioethanol Production From Thick
Juice as Intermediate of Sugar Beet
Processing
Saccharomy
ces
cerevisiae
Variabel berubah : proses treatment
(p1,p2,p3,p4)
Variabel tetap : waktu reaksi 72 jam,
kecepatan pengadukan 200 rpm, suhu 30
o
C
Variabel berubah: konsentrasi total gula
(5,10,15,20,25% w/w)
Waktu 60 jam, suhu (30,35,37,40 oC).
6
Hasyem &
Darwish
2010
Production of Bioethanol and
Associated by-Products From Potato
Starch Residue Stream by
Saccharomyces cerevisiae
Nutrisi ZnCl2.7H2O
Saccharomy
ces
cerevisiae
(0,0;0,1;0,2;0,3;0,4;0,5;0,6;0,7;0,8;0,9 %)
NH4NO2
(0,0;0,5;1,0;1,5;2,0;2,5;3,0;3,5;4,0;4,5 %)
Hasil
Yield bioetanol:
99,5% (25%
volume starter,
0,4% NPK, 5 %
bread yeast)
Konsentrasi
optimal saat
total gula 20%
dengan
konsentrasi
maximum etanol
12% v/v
Yield etanol 5,52
g/L 35oC setelah
36 jam ketika
penambahan
ZnCl2.7H2O.
penambahan
NH4NO2 tidak
memberikan
efek yang
signifikan
4
Universitas Sumatera Utara
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Adapun perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh
suhu dan volume starter 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 suhu dan volume starter terhadap kadar bioetanol hasil
proses fermentasi nira aren.
2. Mempelajari hubungan suhu dan volume starter terhadap yield bioetanol hasil
proses fermentasi nira aren.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dari penelitian yang dilakukan adalah :
1. Memberikan informasi mengenai pengaruh suhu dan volume starter 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
(Arenga pinnata Merr) sebagai bahan baku dan Sacharomyces cerevisiae sebagai
biokatalis.
5
Universitas Sumatera Utara
Variabel-variabel yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
Variabel tetap :
1. Waktu fermentasi
= 24 jam
[21]
2.
= NPK 0,4% (m/m)
[21]
= 32 oC
[10]
Nutrisi
Variabel berubah :
1. Suhu
o
35 C
39 oC
2. Volume Starter
= 15%
25%
[21]
35%
45%
55%
Adapun analisis yang akan dilakukan di dalam penelitian ini adalah analisis
Fourier Transform Infra Red (FTIR), oksidasi dengan kalium dikromat
(K2Cr2O7), pengukuran volume bioetanol, perhitungan densitas, kadar bioetanol,
specific gravity (sg), API Gravity dan nilai kalor.
6
Universitas Sumatera Utara