LATAR BELAKANG Bahan bakar Fosil - digilib.its.ac.iddigilib.its.ac.id/public/ITS-paper-35687-2309100109-080... · gabungan dari polimer dengan rantai relatif lebih pendek dan bercabang,

1

LATAR BELAKANG Bahan bakar Fosil - Persediannya menipis - Tidak ramah lingkungan

Hidrogen - Ramah lingkungan - Nilai kalor lebih besar (119,02 MJ/kg)

Indonesia

Bagasse tebu melimpah (5,706 juta ton/tahun)

37 % Selulosa 28 % Hemiselulosa

21 % Lignin

RUMUSAN MASALAH

Keterbatasan penggunaan energi berbasis fosil

Indonesia menghasilkan gula yang cukup besar dan memberikan limbah padat bagasse

tebu yang sangat besar dan belum dimanfaatkan.

Meskipun degradasi enzimatik selulosa memiliki banyak keuntungan, akan tetapi

umumnya tidak diikuti dengan konversi yang tinggi.

TUJUAN PENELITIAN

Mempelajari dan membandingkan pengaruh proses pretreatment bagasse tebu dengan H2SO4 1.5 %, NaOH 1 %, dan proses tanpa pretreatment terhadap crystallinity bagasse tebu dengan metode FTIR dan XRD.

Mempelajari dan membandingkan pengaruh variasi pH yang digunakan dalam proses fermentasi bagasse tebu pada produksi gas hidrogen.

Mempelajari dan membandingkan pengaruh jenis enzim yang digunakan dalam proses hidrolisis bagasse tebu pada produksi gas hidrogen.

LIGNIN

Lignin merupakan polimer amorf dengan berat molekul yang besar dan memiliki struktur yang kompleks yang terdapat pada dinding sel tumbuhan.

SELULOSA

Selulosa merupakan polimer glukosa linier hidrofilik yang dihubungkan oleh ikatan glioksida.

HEMISELULOSA

Hemiselulosa merupakan heteropolisakarida yang terdiri dari gabungan dari polimer dengan rantai relatif lebih pendek dan bercabang, terdiri dari monomer xylosa, arabinosa, glukosa, manosa dan galaktosa.

XYLAN

Xylan adalah komponen utama hemiselulosa yang memiliki tulang punggung rantai D-xilopiranosa dengan ikatan glikosidik β-1,4.

ENZIM SELULASE

ENZIM XYLANASE

Xilanase merupakan kelompok enzim yang memiliki

kemampuan menghidrolisis hemiselulosa dalam hal ini ialah

xilan atau polimer dari xilosa dan xilo-oligosakarida. Xilanase

dapat diklasifikasikan berdasarkan substrat yang dihidrolisis.

β-xilosidase

Eksoxilanase

Endoxilanase

ENZIM XYLANASE

Perubahan atau variasi pH mengubah bentuk suatu enzim. Setiap enzim memiliki pH optimum yang

berbeda, di mana pada pH optimum tersebut, enzim tersebut dapat bekerja secara optimum pula. Hal itu biasanya ditunjukkan dengan grafik antara aktivitas

enzim melawan pH

X-Ray Diffraction (XRD)

Metode paling sederhana & paling banyak untuk mengukur Cristalinity Index (CrI), sehingga dapat diketahui lebih jauh tentang kristaliniti selulosa.

Cristalinity Index (CrI) adalah rasio berat, kenaikan kristaliniti dapat

dinyatakan sebagai hilangnya atau berkurangnya struktur amorf dari

suatu bahan seperti lignin dan hemiselulosa

(Maeda R.N, 2011)

Fourier Transform Infra Red (FTIR)

Metode untuk melihat struktur bahan (bagasse tebu), terutama struktur dari selulosa

Lateral Order Index (LOI)

1430 cm-1 / 897 cm

-1

Total Crystallinity Index (TCI)

1372 cm-1 / 2900 cm

-1

Nilai LOI menunjukkan jumlah selulosa tipe I

Nilai TCI menunjukkan jumlah selulosa tipe I & II

Nilai TCI mengindikasikan tingkat kristaliniti dan kepadatan struktur

selulosa suatu bahan.

• Bagasse tebu + H2SO4 1,5%

• Bagasse tebu + NaOH 1%

• Bagasse tebu tanpa pretreatment

Analisa FTIR & XRD

• Bagasse tebu + Enzim Selulase

• Bagasse tebu + Enzim Xilanase

• Bagasse tebu + (Enzim Selulase + Enzim Xilanase)

Hidrolisis

•Hasil hidrolisis terbaik + Enterobacter aerogenes pada pH 5

•Hasil hidrolisis terbaik + Enterobacter aerogenes pada pH 7

Fermentasi

Pretreatment

• NaOH 1%

• T = 60 oC

• t = 16 jam

• H2SO4 1,5%

• T = 100 OC

• t = 30 menit

Hidrolisis

• T = 60 oC

• P = 1 atm

• pH = 3

• t = 42 jam

Fermentasi

• T = 30 oC

• P = 1 atm

• pH = 5 & 7

• t = 48 jam

Temperatur, Tekanan, pH, dan Waktu Operasi

Bahan

Hidrolisis 5 gram bagasse tebu 93 U Enzim / 5 gram bagasse tebu

Pretreatment 50 gram bagasse tebu

Fermentasi Submerge Fermentation

Enterobacter aerogenes NBRC 13534

• Mekanik

• Kimiawi (H2SO4 1,5% dan NaOH 1%) Pretreatment

• Bagasse tebu + H2SO4 1,5%

• Bagasse tebu + NaOH 1%

• Bagasse tebu tanpa pretreatment

Analisa FTIR & XRD

• Selulase dari Aspergillus niger • Xilanase dari Trichoderma longibrachiatum

Pembuatan Enzim

•Bagasse tebu + Enzim Selulase

•Bagasse tebu + Enzim Xilanase

•Bagasse tebu + (Enzim Selulase + Enzim Xilanase) Hidrolisis

•Hasil hidrolisis terbaik + Enterobacter aerogenes (pH 5)

• Hasil hidrolisis terbaik + Enterobacter aerogenes (pH 7)

Fermentasi

Bagasse tebu dari hasil penggilingan gula dicuci dengan air bersih

50 gram sample bagasse tebu, dijemur di bawah sinar matahari selama 3 jam, dan ditimbang sesudah dijemur.

Bagasse tebu yang sudah digiling, dioven pada suhu 100°C selama 8 jam

Bagasse tebu diayak dengan screener dan diambil bagasse tebu yang berukuran 100-120 mesh

Bagasse tebu digiling dengan mesin penggiling

H2SO4 1,5%

T = 100 OC

t = 30 menit

NaOH 1%

T = 60 oC

t = 16 jam

50 gram bagasse tebu Disaring dan dibilas dengan kertas saring dengan bantuan pompa vacum hingga pH 7

Disimpan dalam kemasan tertutup

Dioven dengan suhu 80-90°C selama 6 jam

Dipanaskan sampai temperatur

60oC (konstan) selama 48 jam

5 gram bagasse tebu (baik tanpa

atau setelah pretreatment

Analisa kadar gula reduksi

dengan metode DNS (tiap 6

jam)

150 mL buffer sitrat 0,1 M pH

3 Enzim murni

(93 unit/5 gram bagasse tebu)

Disaring dan dipisahkan

antara hidrolisat dan

padatan

Aklimatisasi

0,35gram/L FeSO4.7H2O

50 mL larutan hidrolisis

10 ose Enterobacter aerogenes

0,35gram/L FeSO4.7H2O

450 mL larutan hidrolisis

Fermentasi

Hasil aklimatisasi

Biakan ditumbuhkan pada inkubator shaker dengan suhu 35oC dan kecepatan 125 rpm, dan dijaga pH dari substat agar tetap konstan

Yeast extract 0.5 % w/v Yeast extract 0.5 % w/v

Variabel Selulosa Hemiselulosa Lignin Abu Ekstrak Total

%w/w

Sebelum

Pretreatment 38,37 33,02 12,48 3,52 12,61 100,00

NaOH 1 % 65,79 18,31 5,47 0,11 10,32 100,00

H2SO4 1,5 % 50 30 14 2 4 100,00

Menggunakan metode Chesson (Datta, 1989), untuk mengetahui jumlah

lignocellulosa dalam bagas tebu

• Pretreatment NaOH 1 % menghasilkan kenaikan selulosa paling

tinggi dan penurunan lignin paling tinggi

0

50

100

150

200

250

5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49

Inte

nsi

ty

2

Pretreatment NaOH 1 %

Pretreatment H2SO4 1,5 %

Tanpa Pretreatment

Hasil Pembacaan analisa XRD

No. Jenis Sampel Nilai Cristalinity Index

(CrI) (%)

1 Bagasse Tebu Tanpa Pretreatment 48,46

2 Bagasse Tebu Pretreatment NaOH 1 % 68,38

3 Bagasse Tebu Pretreatment H2SO4 1,5 % 57,89

Hasil Pembacaan Analisa FTIR

Tanpa Pretreatment

NaOH 1 %

H2SO4 1,5 %

No. Jenis Sampel LOI TCL

1 Bagas Tebu Tanpa

Pretreatment

0,96 1,053

2 Bagas Tebu Pretreatment

NaOH 1 %

0,93 1,030

3 Bagas Tebu Pretreatment

H2SO4 1,5 %

0,95 1,050

Hasil Pembacaan Analisa FTIR

Jam ke-

Variabel

NaOH 1%

Enzim Selulase

NaOH 1%

Enzim Xylanase

NaOH 1%

Enzim Selulase+Xylanase

A G A G A G

0 0 0 0 0 0 0

1 0,087 1,570 0,149 2,689 0,317 5,720

3 0,159 2,869 0,281 5,071 0,436 7,868

6 0,164 2,959 0,290 5,233 0,481 8,680

12 0,165 2,977 0,311 5,612 0,485 8,752

18 0,178 3,212 0,320 5,774 0,490 8,842

24 0,180 3,248 0,306 5,522 0,507 9,149

30 0,210 3,789 0,318 5,738 0,511 9,221

36 0,198 3,573 0,334 6,027 0,543 9,798

42 0,162 2,923 0,305 5,504 0,547 9,871

48 0,208 3,753 0,358 6,460 0,561 10,123

SEMA

KIN

NA

IK

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

0 10 20 30 40

kon

sen

tras

i gu

la r

ed

uks

i (g/

L)

Jam

Enzim Selulase Enzim Xilanase Enzim Campuran

Grafik Perbandingan Hasil Hidrolisis Bagas Tebu Dengan Berbagai Enzim

• Yield gula reduksi yang dihasilkan sebesar 0,31 gram gula reduksi/

gram pretreatment bagas tebu (enzim campuran selulase dan

xylanase)

No Nama Sampel

Konsentrasi (g/L) Total

HPLC

(g/L)

DNS

(g/L)

Yield (gram gula/

gram bagas tebu

pretreatment)

Glu Xyl Gal Arab

1 Bagas Tebu Tanpa

Pre-Treatment (s+x)

jam ke 48

0.572 0.025 0.021 0.008 0.616 1.227 0,037

2 Bagas Tebu Tanpa

Pre-Treatment (s)

jam ke 48

0.014 0.025 0.022 0.009 0.070 0.649 0,002

3 Bagas Tebu Tanpa

Pre-Treatment (x)

Jam ke 48

0.357 0.016 0.017 - 0.390 0.956 0,029

4 Bagas Tebu 1 %

NaOH (s+x)

Jam ke 48

2.684 2.199 0.314 - 5.197 10.12 0,31

Data hasil analisa HPLC

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Kin

sen

tras

i Gu

la r

ed

uks

i (m

ol/

L)

Ku

mu

lati

f H

2 (

mm

ol)

Waktu (jam)

Kumulatif H2 (mmol) Konsentrasi Gula Reduksi (mol/l)

• Perubahan Konsentrasi Gula Reduksi dan Kumulatif H2 terhadap

Waktu Fermentasi pada Pretreatment NaOH 1% pH 7

• Mol H2 yang dihasilkan sebesar 23,84 mmol dengan yield 0,53 mol H2

/ mol gula reduksi terkonsumsi

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 10 20 30 40

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0.055

0.06 K

um

ula

tif

H2

(m

mo

l/L

)

Waktu ( Jam )

Ko

nse

ntr

asi

Gu

la R

edu

ksi

(m

ol/

L)

Konsentrasi Gula Reduksi (mol/L) Kumulatif H2 (mmol)

• Perubahan Konsentrasi Gula Reduksi dan Kumulatif H2 terhadap

Waktu Fermentasi pada Pretreatment NaOH 1% pH 7

• Mol H2 yang dihasilkan sebesar 4,57 mmol dengan yield 0,1 mol H2 /

mol gula reduksi terkonsumsi

No. Peneliti Jenis strain dan

kondisi proses

Jenis substrat Hasil

1 Penelitian ini Strain: E. aerogenes,

T = 30C

pH = 7

Hidrolisat bagas tebu hasil

hidrolisis enzimatik

Mol H2 / mol

glukosa = 0,53 mol

/ mol

2 Panagiotopoul

os.I.A

2010

Strain:

C.Saccharolyticus

Hidrolisat bagas tebu hasil

hidrolisis enzimatik

Mol H2 / mol

glukosa = 3,2 mol /

mol

3 Manikkandan.

T.R 2009

Strain Bacillus.Sp

T = 32C

pH = 7

Waktu = 48 jam

Hidrolisat bagas tebu

dengan menggunakan

H2SO4

Mol H2 / mol

glukosa = 0,23

mol / mol

4 Anwar, 2011 E.aerogenes NBRC

13534

Ekstrak ragi dan gula

reduksi dari

hidrolisatsintetik

Mol H2 / mol

glukosa = 0,356

mol / mol

1 Bagasse tebu yang digunakan memiliki konsentrasi

selulosa, hemiselulosa, dan lignin berturut turut

sebesar 33%; 37%; 26%.

2 Kondisi pretreatment yang menunjukkan hasil

kadar selulosa tertinggi sebesar 65,9% dan kadar

lignin terendah sebesar 5,47 % adalah konsentrasi

NaOH 1%, pada suhu 80oC, dan selama 16 jam.

3 Dari hasil analisa XRD didapatkan nilai CrI

tertinggi adalah bagasse tebu yang telah

dipretreatment dengan NaOH 1% yaitu sebesar

68,38 %

Dari hasil analisa FTIR, nilai LOI terendah

dihasilkan pada pretreatment NaOH 1%, yaitu

sebesar 0,93

Hasil hidrolisis terbaik adalah pada pretreatment

dengan konsentrasi NaOH 1% menggunakan

campuran enzim selulase dan xylanase yaitu

didapatkan gula reduksi sebesar 10,123 g/L dengan

yield gula reduksi sebesar 0,31 g gula/g bagasse

tebu pretreatment.

Yield hidrogen yang dihasilkan berdasarkan

konsentrasi gula reduksi hidrolisat awal 10,123 g/L

adalah 0,53 mol H2/mol gula reduksi yang

terkonsumsi

4

5

6

Sidang Proposal 35