HALAMAN PENGESAHAN

LAPORAN AKHIR

PENELITIAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

OPTIMASI PROSES KONVERSI BIOETANOL DARI JERAMI PADI

(Oryza sativa) SEBAGAI BAHAN BAKAR YANG RAMAH LINGKUNGAN

Tahun ke 2 dari rencana 2 tahun

Ketua Tim:

Dr. Ir. Bambang Dwi Argo, DEA (NIDN. 0010076108)

Anggota:

Dewi Maya Maharani, STP., M.Sc (NIDN. 0025108701)

Yusuf Hendrawan, STP., M.App.Life.Sc., Ph.D (NIDN. 0016058102)

Dibiayai oleh :

Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi,

Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan, Melalui DIPA Universitas Brawijaya

Nomor : 023.04.2.414989/2014, Tanggal 5 Desember 2013, dan berdasarkan

SK Rektor Universitas Brawijaya Nomor 157 Tahun 2014 tanggal 10 April 2014

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

NOVEMBER 2014

RINGKASAN

Bambang Dwi Argo, Dewi Maya Maharani, Yusuf Hendrawan. Laporan Kemajuan

Penelitian Unggulan (M) Perguruan Tinggi. Optimasi Proses Konversi Bioetanol dari

Jerami Padi (Oryza sativa) sebagai Bahan Bakar yang Ramah Lingkungan

Penelitian dengan judul “Optimasi Proses Konversi Bioetanol Dari Jerami Padi

(Oryza Sativa) Sebagai Bahan Bakar yang Ramah Lingkungan” ini merupakan

penelitian yang akan dilaksanakan selama dua tahun. Jerami padi mengandung selulosa

dan hemiselulosa yang dapat dikonversi menjadi bioetanol, sebagai salah satu energi

alternatif. Proses konversi bioetanol dari jerami padi dilakukan melalui beberapa

tahapan, yaitu proses pretrearment jerami padi, proses produksi enzim selulase,

hidrolisis enzimatis, fermentasi glukosa dan purifikasi etanol. Pada tahun pertama, akan

dilakukan proses pretreatment jerami padi dan proses produksi enzim, sedangkan pada

tahun kedua dialkukan hidrolisis enzimatis. Proses pretreatment pada jerami padi

dilakukan dengan tujuan menghilangkan lignin (delignifikasi) yang menghalangi proses

pemecahan selulosa menjadi glukosa. Pretreatment dilakukan dengan metode wet

milling dan treatment secara kimia dengan penambahan NaOH (0,5; 1; 2; 3; 4%) yang

dikombinasikan dengan penggunaan energi microwave selama 10, 20, 30, dan 40 menit.

Jerami hasil pretreatment dianalisis kandungan selulosa dan hemiselulosanya dengan

metode Chesson.

Selanjutnya selulosa dan hemiselulosa dapat dihidrolisis menjadi glukosa.

Hidrolisis dilakukan secara enzimatis dengan bantuan enzim selulase dari mikrofungi

Trichoderma reesei dan Aspergillus niger. Namun sebelum itu terlebih dahulu

dilakukan uji aktivitas enzim dari perbandingan Trichoderma reesei dan Aspergillus

niger yang dikembangbiakkan pada media PDA miring. Proses inokulasi spora

Trichoderma reesei dan Aspergillus niger pada larutan nutrisi dan substrat jerami padi

difermentasi selama 6 dan 8 hari pada kondisi suhu 27°C, 30oC dan 37°C dengan pH

larutan nutrisi sebesar 4,5, dan 6. Kemudian dilakukan pengujian aktivitas pada cairan

enzim (supernatan) yang dihasilkan.

Aktivitas enzimatis dengan perbandingan 1:0; 1:1; 1:2; 1:3; 0:1; 2:1; dan 3:1.

Glukosa yang diperoleh kemudian difermentasi dengan bantuan yeast Saccharomyces

cerevisae dengan pengaturan pH 4, 5, 6 selama 2, 4, 6, 8, 10 hari. Hasil yang diperoleh

dianalisis dengan Gas Chromatography (GC) untuk mengetahui kadar etanolnya.

Proses hidrolisis dilakukan dengan perlakuan adalah Perbandingan volume enzim

selulase A. niger dan T. reesei yaitu (1:0), (0:1), (1:1), (1:2), (1:3), (2:1), (3:1) dan

waktu pengambilan sempel yakni pada jam ke-8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64 dan jam ke-

72. Parameter yang akan dilakukan adalah mengukur kadar dari glukosa.

Hasil penelitian sebelumnya dengan metode pretreatment yang berbeda

menggunakan autoclave dan microwave menunjukkan persentase perubahan komponen

penyusun lignosellulosa jerami padi yang berbeda. Perlakuan pretreatment terbaik

terdapat pada penambahan NaOH 2M dan waktu microwave 40 menit, kemudian

dihasilkan peningkatan selulosa 7,5% dan penurunan lignin sebesar 0,9%.

Hasil terbaik untuk menghasilkan Aktivitas enzim selulase dari mikrofungi

Aspergillus niger dan Trichoderma reesei yaitu suhu 370C dan PH 6 dengan nilai

aktivitas enzim berurutan yaitu 0.187347 IU/ml 0.157994 IU/ml (endoglukanase atau

CMCase), 0.026886 IU/ml 0.087481 IU/ml ( Fpase), 0.039666 IU/ml 0.021010 IU/ml

(β-glukosidase). Perlakuan PH dan suhu sangat berpengaruh terhadap terhadap aktivitas

enzim selulase dari mikrofungi Trichoderma reesei dan Aspergillus niger dengan

substrat jerami padi. Sedangkan hasil terbaik proses hidrolisis terdapat pada

perbandingan Aspergillus niger : Trichoderma reseei (1:3) dengan waktu hidrolisis 64

jam yang menghasilkan glukosa sebesar 17,35 g/L.

Kata kunci: Bioetanol, Jerami Padi, T. reesei, A. niger, wet milling, hidrolisis.

DAFTAR PUSTAKA

Ahamed, A. P. Vermette (2008), “Culture-based Strategies to Enhance Cellulase

Enzyme Production from Trichoderma reesei RUT-C30 inBioreactor Culture

Conditions”, Biochemical Engineering Journal 40, 399–407.

Alexander, M., D.A. Hopwood, B.H. Iglewski, and A.I. Laskin. 1992. Enciclopedia of

Microbiology, vol 1, Academic Press Inc. : New York.

Allen, S. G., Schulman, D., Lichwa, J, 2001. A comparison between hot liquid water

and steam fractionation of corn fiber. Ind. Eng. Chem. Res., 40, 2934-2941.

Ambriyanto, Sarju, Kurniawan. 2010. Isolasi Dan Karakterisasi Bakteri Aerob

Pendegradasi Selulosa Dari Serasah Daun Rumput Gajah (Pennisetum

Purpureum Schaum). Jurnal Jurusan Biologi Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam. ITS.Surabaya.

Anindyawati, T. 2009. Prospek enzim dan limbah lignoselulosa untuk produksi

bioetanol. BS. Vol. 44(1). pp: 49-56

Badan Pusat Statistik (BPS). 2010. Tabel Luas Lahan dan Produktivitas Tanaman Padi

di Indonesia. BPS, Jakarta

Balat, M. 2007. Global bio-fuel processing and production trends. Energy Exploration

Exploitation. Vol. 25. pp: 195-218

Banerjee, S., Mudliar, S., Sen, R., Gir, B., Satpute, D., Chakrabati, T., et al., 2010.

Commercializating lignocellulosic bioethanol: technology bottlenecks and

possible remedies. Biofuels Biop. Biorefinering Vol. 4. Pp: 77-93

Beauchemin, K.A., D. Colombatto, D.P. Morgavi and W.Z. Yang. 2003. Use of

Exogenous Fibrolytic Enzymes To Improve Feed Utilization By Ruminants. J.

Anim. Sci. 81 (E. Suppl. 2): E37-E47.

Berlin, A., Gilkes, N., Kurabi, A., Bura, R., Tu, M., Kilburn, D., et al., 2005. Weak

lignin-binding enzymes. Applied Biochemical Biotechnology. pp: 121-124

Binod P, Sindhu, R., Singhania, R., Vikram, S., Devi, L., Nagalakshmi, S., Kurien, N.,

Sukumaran, R., Pandey, A., 2010, Bioethanol production from rice straw: An

overview, Bioresource Technology. Vol. 101. pp: 4767–4774.

BPPT, 2005, Kajian Lengkap Prospek Pemanfaatan Biodiesel Dan Bioethanol Pada

SektorTransportasi Di Indonesia. Balai Besar Teknologi Pati-BPPT, Jakarta.

Cai, Y.J., S.J. Chapman, J.A. Buswell And S.T. Chang.1999. Production And

Distribution Of Endoglucanase, Cellobiohydrolase, And Β-Glucosidase

Components Of The Cellulolytic System Of Volvariella Volvacea, The Edible

Straw Mushroom. App. Env. Microb. 65: 553-559

Carlile, M.J., S.C. Watkinson and G.W. Gooday. 2001. The Fungi. 2nd ed. Academy

Press. London – California.

Chen, P.J., T.C. Wei, Y. T. Chang and L.P. Lin. 2004. Purification and

characterization of carboxymethyl cellulase. Bot. Bull. Acad. Sin. 45: 111-118.

Departemen ESDM, 2005, Blue Print Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025, Pola

Pikir Pengelolaan Energi Nasional.

Ding T.Y., Hii S.L., Ong L.G.A, 2012, Comparison of Pretreatment Strategies for

Conversion of Coconut Husk Fiber to Fermentable Sugars, J. Bioresources,

7(2), 1540-1547.

Ding, S.J., W. Ge. and J.A. Buswell. 2001. Endoglucanase I from the edible straw

mushroom, volvariella volvacea. Eur. J. Biochem. 268: 5687-5695.

El-Zaher Abd, Fatma.,M.Fadel 2010. Production of Bioethanol Via Enzymatic

Saccharification of Rice Straw by Cellulase Produced by Trichoderma reseei

Under Solid State Fermentation. New York Science Journal.

Endo, T., Tanaka, N., Yamasaki, R., Teramoto, Y., Lee, S.H. 2008. Wet

mechanochemical treatment for enzymatic saccharification of wood. In 15th

Annual Meeting of the Cellulose Society of Japan. Kyoto 10-11 July. Pp:117-

118

Faaij, A.P.C. 2006. Modern biomass conversion technologies. Mitigation Adaptation

Strategies Global Changes. Vol. 11. pp: 343-375

Fox, P.F. 1991. Food Enzymology, Vol. 1, Elsevier Applied Science Ltd., New York.

Gandjar, I., 2006, “Mikrobiologi Dasar dan Terapan”, Yayasan Obor Indonesia,

Gozan , Misri, Samsuri,M.2007. Sakarifikasi dan Fermantasi Bagas Menjadi Ethanol

Menggunakan Enzim Selulase dan Enzim Sellobiase. Jurnal Teknologi, Edisi

No.3 Tahun XXI, 209-215.

Hamada, Hoshikawa, dan Tone, 1998. Pervporation Charasteristics of Water and 2-

propanol in Sulfonated Polyethersulfone Membranes. Journal of Chemical

Engineering of Japan, Vol. 31(4), pp 652-656.

Hendriks, A.T.W.M. and Zeeman, G. 2009. Pretreatments to enhance the digestability

of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology. Vol. 100. pp: 10-18

Hideno, A., H. Inoue, T. Yanagida, K. Tsukahara, T. Endo and S. Sawayama. 2012.

Combination of hot compressed water treatment and wet disk milling for high

sugar recovery yield in enzymatic hydrolysis of rice straw. Bioresource

Technology, Vol. 104

Howard RL., Abotsi E., Jansen van Rensburg EL., dan Howard S, 2003, Lignocellulose

biotechnology : issues of bioconversion and enzyme production, African Journal

of Biotechnology, 2(12), 602-619, http://www.academicjournals.org/AJB.

Hu, Z. and Wen, Z. 2008. Enhancing enzymatic digestability of switchgrass by

microwave-assisted alkali pretreatment. Biochemical Engineering Journal. Vol.

38. pp: 369-378

Huang, H.J., Ramaswamy, S., Tschirner, U.W. and ramarao, B.V. 2008. A review of

separation technologies in current and future biorefineries. Sep. Purif, Tech. Vol.

62. p: 1-21

Hui, L., Wan, C., , Hai-tao, D., Xue-jiao, C.,, Qi-fa, Z., Yu-hua, Z., 2010, Direct

microbial conversion of wheat straw into lipid by a cellulolytic fungus of

Aspergillus oryzae A-4 in solid-state fermentation, J. Bioresource Technology,

101, 7556–7562.

Ikram-ul-haq, Muhammad Mohsin Javed, Tehmina Saleem Khan and Zafar Siddiq.

2005. Cotton Saccharifying Activity of Cellulases Produced by Co-culture of

Aspergillus niger and Trichoderma viride. Res. J. Agric & Biol. Sci. 1(3):241-

245.

Jakarta.

Juhasz, T., K. Kozma, Z. Szengyel, K. Reczey 2003, Production of β-Glucosidase in

Mixed Culture of Aspergillus niger BKMF 1305 and Trichoderma reesei RUT

C30, Food Technol. Biotechnol. 41 (1) 49–53.

Kang S.W., Park Y.S., Lee J.S., Hong S.I., Kim, S.W., 2004, Production of cellulases

and hemicellulases by Aspergillus niger KK2 from lignocellulosic biomass,

Bioresource Technology, Vol. 91, 153–156

Karimi, K., Emtiazi, G., Taherzadeh, M.J., 2006. Ethanol production from dilute-acid

pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with

Mucor indicus, Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae. Enzyme

Microbiol. Technol. Vol. 40. pp:138–144.

Keshwani, D.R. and Cheng, J.J., 2010. Microwave-based alkali pretreatment of

switchgrass and coastal bermudagrass for bioethanol production. Biotechnology

Program. Vol. 26. pp: 644-652

Klibanov, A. M. 1986. Enzymes that work in organic solvents. Chemtech. 16: 354-144.

Kodri, 2013. Pemanfaatan Enzim Selulase Dari Trichoderma Ressei Dan Aspergillus

niger Sebagai Katalisator Hidrolisis Enzimatik Jerami Padi Dengan

Pretreatment Microwave. Skripsi Jurusan Keteknikan Pertanian, Universitas

Brawijaya : Malang

Kootstra, A.M.J., Beeftink, H.H, Scott, E.L., Sanders J.P.M., 2009, Optimization of

dilute maleic acid pretreatment of wheat straw, Biotechnology for Biofuels,

2(31).

Kurniawati, Indah. 2011. Pengaruh pH dan Waktu Terhadap Kadar Gula Reduksi Pada

Proses Hidrolisis asam Jerami Padi dengan Diameter Bubuk Jerami 100 Mesh .

Skripsi Keteknikan Pertanian. Universitas Brawijaya. Malang

Lakitan B. 2004. Dasar-dasar Fisiologi Tumbuhan. PT Raja Grafindo Persada: Jakarta.

Lida, T. 1993. Fuel Ethanol Production by Immobilized Yeast and Teast

Immobilization. Bioprocess Technology: In: Industrial Application of

Immobilized Biocatalysts. New York : Ed. Marcel Dekker. pp. 163-183.

Lima, L.R. and Marcondes, A.A. 2002. Alcool Carburante: uma estrategia brasileira.

Ed. UFPR, Curitiba. pp:248

Lu, J. and Zhou, P., 2011. Optimal conditions for maximizing production of reducing

sugars from microwave-assisted FeCl3 pretreated rice straw degraded by

Trichoderma viride and Bacillus pumilus, African Journal of Microbiology

Research. Vol. 5(31). pp:5757-5764.

Mappiratu dan Nurhaeni. 2009. Penuntun Praktikum Enzim Pangan. Jurusan Kimia

Fmipa Universitas Tadulako, Palu.

Martins, L.F., D. Kolling, M. Camassola, A.J.P. Dillon, L.P. Ramos

(2008),“Comparison of Penicillium echinulatum and Trichoderma reesei

Cellulases in Relation to Their Activity Against Various Cellulosic Substrates”,

Bioresource Technology, 99, 1417–1424.

Meyes, P.A., D.M. Martin, V.W. Rodwell. 1992. Harpers Review of Biochemistry.

Lange Medical Publication Meruzen Asia : Singapore. pp: 234-235

Miettinen-Oinonen, A., J. Londesborough, V. Joutsjoki, R. Lantto and J. Vehmaanpera.

2004. Three Cellulases from Melanocarpus albomyces for Texyile Treatment at

Neutral pH. Enzyme Microb Tech, 34: 332-341.

Nurdyastuti, I. 2009. Teknologi Proses Produksi Bio-etanol, http://d.yimg. com/ kq/

groups/ 3468476/ 658705552/ name/ Bio_Ethanol. pdf. Diakses pada tanggal

12 November 2009.

Okamotoa K., Nittaa Y., Maekawab N., Yanasea H. 2011. Direct ethanol production

from starch, wheat bran and rice straw by the white rot fungus Trametes hirsuta,

Enzyme and Microbial Technology, 48, 273–277.

Okunowo, Oluwanisula, 2007,” Quantitation of Alcohol in Wine”African Journal of

Biochemistry.

Oliveria, M.E.D., Vaughan, B.E. Rykiel, E.J. 2005. Ethanol as fuel: energy, carbon

1239 dioxide balances, and ecological footprint. Biosicience. Vol. 55. pp: 593-

602.

Orth A.B., D.J. Royse, M. Tien. 1993. Ubiquity of lignindegrading peroxidases among

various wood-degrading fungi. J. Appl. Environ Microbiology. Vol. 59. pp:

4017-4023.

Prasetyaningsih, E., 2007, “Industri Alkohol” E-Kuliah. Knowledge Collaborative

Purwiyatno Hariyadi. 1996. Katalisis Enzimatis Dalam Pelarut Organik. J. Ilmu dan

Tek. Pangan, Vol 1 No. 1, hal 52-60

Quintero, J.A., Rincon, L.E., Cardona, C.A. 2011. Production of bioethanol from

agroindustrial residues as feedstock, In A. Pandey, C. Larroche, S.C. Ricke,

C.G. Dussap, E. Gnansounou (Eds). Biofuels Alternatives Feedstocks and

Conversions Processes. Academic Press, London. pp: 251-285.

Rachmania, F. dan Lazuardi.2009. Pengaruh Liquid Hot Water terhadap Perubahan

Struktur Sel Bagas. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknolohi Industri, Institut

Teknologi Sepuluh November.

Rahima, Dwira.2010. Makalah Optimasi Produksi Enzim Selulase untuk Hidrolisis

Jerami Padi. Kementrian Kesehatan RI.

Rikana, H dan Risky. 2010. Pembuatan Bioethanol Dari Singkong Secara Fermentasi

Menggunakan Ragi Tape. Skripsi. Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik,

Universitas Diponegoro : Semarang.

Rokhmah, I. 2011. Pengaruh Pretreatment (Delignifikasi) Bertekanan terhadap

Kandungan Bubuk Jerami Padi Giling pada Produksi Bioetanol. Skripsi.

Jurusan Keteknikan Pertanian, Universitas Brawijaya : Malang.

Sagar, A.D. and Kartha, S. 2007. Bioenergy and sustainable development. Annual Rev.

Environmental Resources. Vol. 32. pp: 131-167.

Sharing.

Sun, R.C. and Tomkinson, T. Esensial guides for isolation/purification of

polysaccharides, In I.D. Wilson, T.R. Adlard, C.F. Poole, M. Cook (Eds).

Encyclopedia of Separation Science. Academic Press, London. pp: 4568-4574.

Taherzadeh M.J. 1999. Ethanol from Lignocellulose: Physiological Effects of Inhibitors

and Fermentation Strategies. [thesis]. Göteborg: Department of Chemical

Reaction Engineering, Chalmers University of Technology

Taherzadeh, M.J. dan Karimi, K. 2007. Acid-based hydrolysis processes for ethanol

fromlignocellulosic materials: a review. Bioresources 2(3), pp. 472-499.

Taherzadeh, M.J. dan Karimi, K. 2007. Enzyme-based hydrolysis processes for ethanol

from lignocellulosic materials: a review, 2007, BioResources, Vol. 2, pp. 707-

738

Ul-Haq, I.; M. M. Javed; T. S. Khan; and Z. Siddiq, 2005, Cotton Saccharifying Activity

of Cellulases Produced by Co-culture of Aspergillus niger and Trichoderma

Viride. Research Journal of Agriculture and Biological Sciences, 1(3): 241-245.

Wahyuningtyas, Puspita. 2012. Studi Pembuatan Enzim Selulase dari mikrofungi

Trichoderma ressei dengan Substrat Jerami Padi sebagai katalis Hidrolisis

Enzimatik Pada Produksi Bioetanol. Skripsi. Jurusan Keteknikan Pertanian

Universitas Brawijaya. Malang.

Wang, Y., Gong, C., Sun, J., Gao, H., Zheng, S. and Xu, S. 2010. Separation of

ethanol/water azeotrope using compound starch-based absorbents. Bioresour.

Tech. Vol. 101. pp: 6170-6176

Watanabe, dan Kyo, 1992, Pervaopration Performance of Hollow Fiber Chitosan

Polyacrylonitrile Composite Membrane in Dehydration of Ethanol. Journal of

Chemical Engineering of Japan, Vol. 25(1). pp 17-21

Widyastuti, H., Siswanto dan Suharyanto. 2007. Optimasi pertumbuhan dan aktivitas

enzim lignolitik Omphalina sp and Pleurotus ostreatus pada fermentasi padat.

Menara Perkebunan, 75(2), 93-105.

Winarno, F.G., 1984. Hemiselulosa.PT.GramediaPustakaUtama,Jakarta.

Yang, B. and Wyman, C.E. 2008. Pretreatment: the key to unlocking lo-cost cellulosic

ethanol. Biofuels Biop. Biorefinering Vol. 2. Pp: 26-40

Zhang, Q., He, G., Wang, J., Cai, W., dan Xu, Y., 2009, Two-stage co-hydrolysis of

rice straw by Trichoderma reesei ZM4-F3 and Pseudomonas aeruginosa BSZ-

07, Biomass and Bioenergy, Vol. 33. pp: 1464-1468

Zhu, S., Wu, Y., Zhao, Y., Tu, S., Xue, Y., 2006. Fed-batch simultaneous

saccharification and fermentation of microwave/acid/alkali/H2O2 pretreated rice

straw for production of ethanol. Chem. Eng. Commun. Vol. 193. pp: 639–648.