PEMBUATAN BIOETANOL DARI UBI KAYU MENGGUNAKAN HIDROLISIS ASAM SULFAT SECARA FERMENTASI DENGAN

MIKROBA SACCHAROMYCES CEREVISEAE

Gigih Anggara Putra Wardana (B4211083) Prodi Teknik Energi Terbarukan, Politeknik Negeri Jember

Jl. Mastrip Kotak Pos 164 Jember 68101 Telp. (0331)333533/ Fax. (0331)333531 Pembimbing: Yuana Susmiati, Stp.,Msi

PENDAHULUAN

Bioetanol merupakan alkohol yang di produksi dari bahan baku tanaman

yang mengandung gula, pati, dan serat. Bahan baku tanaman yang mengandung

gula (misalnya nira tebu, aren, kelapa), bahan berpati (misalnya sagu, kentang, ubi

kayu, ubi ungu, ubi talas, kentang, jagung, dll), bahan berselulosa (misalnya

bagase, TKKS) dan bahan berligninselulosa (misalnya rumput gajah, jerami).

Etanol atau ethyl alkohol berupa cairan bening tidak berwarna, terurai secara

biologis (biodegradable), toksisitas rendah dan tidak menimbulkan polusi udara

yang besar apabila terurai bebas di lingkungan. Etanol diperoleh dari hasil

fermentasi glukosa (gula) yang dilanjutkan dengan proses distilasi. Proses distilasi

dapat menghasilkan etanol dengan kadar 95% volume, untuk digunakan sebagai

bahan bakar (biofuel) perlu lebih dimurnikan lagi hingga mencapai 99% yang

biasa disebut fuel grade ethanol (FGE). Proses pemurnian dengan prinsip

dehidrasi umumnya dilakukan dengan metode Molecular Sieve, untuk

memisahkan air dari senyawa etanol, (Musanif, Jamil).

Ubi kayu (Manihot Esculenta Crantz) merupakan salah satu sumber

karbohidrat lokal Indonesia yang menduduki urutan ketiga terbesar setelah padi

dan jagung. Ubi kayu segar mempunyai komposisi kimiawi terdiri dari kadar air

sekitar 60%, pati 35%, serat kasar 2,5%, kadar protein 1%, kadar lemak 0,5%, dan

kadar abu 1%, karenanya merupakan sumber karbohidarat dan serat makanan,

namun sedikit kandungan zat gizi seperti protein. Ubi kayu segar mengandung

senyawa glokosida sianogenik dan apabila terjadi proses oksidasi oleh enzim

linamarase maka akan dihasilkan glukosa dan asam sianida (HCN) yang ditandai

dengan bercak warna biru, akan menjadi toxin (racun) apabila dikonsumsi pada

kadar HCN lebih dari 50 ppm, (Badan Litbang Pertanian, 2011)

Ubi kayu merupakan salah satu bahan baku yang cukup potensial untuk

produksi bioetanol, karena kandungan karbohidratnya dapat diubah menjadi gula

sederhana atau monosakarida sebagai substrat fermentasi. Proses mengubah

karbohidrat menjadi gula sederhana disebut dengan hidrolisis. Pada prinsipnya

hidrolisis merupakan proses pemecahan rantai polimer bahan menjadi monomer-

monomer sederhana. Pemutusan rantai polimer tersebut dapat dilakukan dengan

berbagai metode, misalnya secara enzimatis, kimiawi, ataupun kombinasi

keduanya.

Proses hidrolisis enzimatis dilakukan dengan penambahan enzim alpha-

amilase dan amiloglukosidase. Kelemahan hidrolisis enzimatis pada bahan ubi

kayu yaitu substrat masih menyisakan serat dan sedikit pati. Selain itu metode

hidrolisis secara enzimatis juga relatif mahal dan memerlukan waktu yang cukup

lama.

Asam sulfat (H2SO4) merupakan asam yang sering digunakan sebagai

katalis kimia meskipun asam yang lain juga bisa digunakan seperti asam klorida

(HCl). Hidrolisis asam dapat memecah hemiselulosa dengan efektif menjadi

monomer-monomer gula (arabinosa, galaktosa, glukosa, manosa, dan xilosa) dan

larutan oligomer yang meningkatkan konversi selulosa, (Sun dan Cheng, 2005).

Pada penelitian ini digunakan hidrolisis asam dengan asam sulfat (H2SO4)

berkonsentrasi rendah karena efektif menghasilkan gula tinggi dan sekaligus

mampu menghidrolisis serat (selulosa dan hemiselulosa).

Fermentasi pada produksi bioetanol dimaksudkan untuk mengubah

glukosa menjadi etanol (alkohol) dengan menggunakan yeast/ragi/khamir. Khamir

yang digunakan adalah Saccharomyces cereviseae. Khamir jenis ini merupakan

spesies khamir yang memiliki daya konversi gula menjadi etanol sangat tinggi.

Saccharomyces cereviseae memerlukan suhu 30oC dan pH 4,0-5,5 agar dapat

tumbuh dengan baik, (Sassner, 2008).

Menurut Gaur (2006), salah satu yang membatasi tingginya kecepatan

produksi etanol adalah penghambatan pada proses metabolisme khamir oleh

tingginya gula pada substrat dan sebagai produk akhir. Konsentrasi gula pada

substrat yang digunakan sebesar 16-24% brix. Apabila konsentrasi substrat lebih

dari itu maka akan menyebabkan tekanan osmotik yang mengurangi efisiensi

proses fermentasi.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui proses pembuatan bioetanol

(persiapan bahan baku, fermentasi dan distilasi) dari bahan ubi kayu. Selain itu

juga mengetahui jumlah kadar gula yang dihasilkan dengan menggunakan

hidrolisis asam sulfat berkonsentasi rendah.

BAHAN DAN METODE PENELITIAN

Bahan dan Alat

Bahan yang digunakan dalam penelitian meliputi ubi kayu, air/aquades,

H2SO4, fermipan (ragi/khamir), pupuk NPK, dan urea.

Alat yang digunakan meliputi timbangan analitis, auto clave,

refraktometer, beaker glass, erlenmeyer, pengaduk, pipet ukur, labu ukur, gelas

ukur, kompor (pemanas), termometer, pH meter, dan alat distilasi sederhana.

Prosedur Penelitian

Pembuatan bioetanol diawali dengan persiapan bahan baku, proses

fermentasi, dan proses distilasi.

1. Persiapan bahan baku meliputi:

1.1 Penepungan bahan ubi kayu

Timbang ubi kayu sebanyak 2 kg

Ubi kayu dikupas kulit arinya dan dibersihkan menggunakan air

Ubi kayu dikecilkan ukurannya dengan cara diparut

Jemur hasil parutan di bawah sinar matahari hingga kering

Setelah benar-benar kering parutan singkong ditepungkan dengan

cara penghalusan menggunakan mesin penggiling.

Dilakukan pengayakan untuk partikel lolos ayakan 40 mesh.

Jumlah hasil penepungan sebanyak 650 gr.

1.2 Hidrolisis tepung ubi kayu

Membuat pengenceran larutan sebagai bahan pelarut hidrolisis

asam dari asam pekat H2SO4 17,8 M sebanyak 11,23 ml

dilarutkan dalam labu pengencer 500 ml kemudian tambahkan

aquadest, hingga menjadi asam lemah H2SO4 0,4 M. Lakukan

proses pengenceran selama 2 kali karena larutan yang dibutuhkan

600 ml.

Proses hidrolisis dilakukan dengan komposisi tepung sebanyak

30% dari larutan H2SO4. Sehingga dibutuhkan tepung sebanyak

90 gr untuk masing-masing percobaan (percobaan pertama dan

percobaan kedua). Jumlah larutan hasil pengenceran masing-

masing percobaan 300 ml. Tempat pencampuran tepung dan

larutan ditempatkan di erlenmeyer.

Pada proses sakarifikasi dilakukan dengan memanaskan kedua

percobaan tersebut dengan metode pemanasan yang berbeda,

yaitu: a) Menggunakan auto clave dengan suhu hingga 120oC

kemudian atur waktunya 5 menit dihitung pada saat suhu auto

clave mencapai 120oC, b) Menggunakan kompor hingga larutan

tersebut encer atau mudah diaduk.

Setelah dingin larutan tersebut diuji nilai brixnya menggunakan

refractometer.

2. Proses fermentasi

Lakukan formulasi media gula hasil hidrolisis dengan cara mengatur

pH dan kadar gula. pH diatur (4-5) dengan menambahkan basa

(NH4OH) dan kadar gula diatur (20 brix) dengan pengenceran atau

pemekatan. Penambahan basa NH4OH juga berfungsi sebagai

detoksifikasi.

Lakukan pasteurisasi sampai dengan suhu ruang selama 10 menit

dengan suhu 85oC

Dinginkan hasil pasteurisasi sampai dengan suhu ruang.

Tambahkan mikroba (ragi roti/ferniphan) sebanyak 0.15 gr dari

perhitungan (0,23% * brix * volume media).

Larutan aquades untuk mengencerkan ferniphan 30 ml dari

perhitungan (10 % aquades x volume media) dengan suhu pemanasan

dibawah 40oC

Tambahkan nutrisi NPK sebanyak 0,04 gr (0,06%* brix*volume

media) dan urea sebanyak 0,34 gr (0,5% * brix * volume substrak).

Lakukan pengkondisian udara fermentasi kurang lebih 72 jam.

Fermentor yang digunakan berupa toples plastic (diameter 14 cm,

tinggi 13 cm) sebanyak 2 buah yang dihungkan dengan selang kecil

panjangnya 35 cm. Toples A untuk substrat hasil hidolisis dan toples

B berisi aquades. Kedua toples dikondisikan kedap udara.

3. Proses Distilasi

Ambil broth fermentasi yang akan didistilasi sebanyak 200 ml.

Masukkan larutan kedalam labu pemanas.

Lakukan proses distilasi bahan yang telah disiapkan.

Setelah proses distilasi selesai, kadar alkohol hasil distilasi dapat

diukur.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses Hidrolisis

Hasil dari proses hidrolisis menggunakan asam kuat pada percobaan

pertama (pemanasan dengan kompor) dan percobaan kedua (pemanasan dengan

auto clave) diperoleh data sebagai berikut:

No Nama Bahan Campuran

H2SO4

Pemanasan

Auto clave

(% brix)

Kompor

(% brix)

1. Ubi Kayu 0,4 23 26

Gambar 1. Hasil percobaan nilai total gula atau brix

Nilai tersebut diperoleh dari pengukuran kualitas gula dengan alat

Refractometer dan nilai tersebut disebut brix. Pada proses hidrolisis dilakukan

dengan menggunakan larutan asam kuat H2SO4 yang memiliki kosentrasi rendah

0.4 M, karena asam sulfat berkonsentrasi rendah efektif menghasilkan gula tinggi

dan sekaligus mampu menghidrolisis serat (selulosa dan hemiselulosa), (Susmiati,

Yuana 2012). Bahan baku yang mengandung serat akan cepat menjadi glukosa

sederhana apabila pemecahannya dilakukan oleh katalis asam yang kuat (H2SO4).

Asam sulfat dengan konsentrasi 0,4 M memberikan nilai kualitas gula yang tinggi

yaitu 26% karena rantai polisakarida karbohidrat dapat diputus secara

keseluruhan. Pada proses hidrolisis dengan kondisi tersebut sebagian besar

hemiselulosa dan selulosa dapat terkonversi menjadi gula.

Glukosa yang dihasilkan pada proses hidrolisis asam ini memiliki produk

sampingan furtural dan HMF (Hidroksi Metil Fruktural) yang dapat memberikan

pengaruh pada glukosa. Terbentuknya HMF terjadi dari reaksi pengguraian pati

atau gula lanjut yang telah terhidrolisis sebelumnya. Jika suatu glukosa memiliki

kandungan HMF yang tinggi maka glukosa tersebut akan mengandung toksin atau

racun. Dan apabila kandungan fuktural didalam glukosa tinggi maka akan

mengakibatkan perubahan warna menjadi lebih gelap pada glukosa.

Nilai brix (kadar gula) yang di hasilkan dari kedua perlakuan ini berbeda.

Hal ini dikarenakan pada proses hidrolisis yang pemanasannya dengan kompor

terjadi di tempat terbuka dengan suhu pemanasan 100oC sehingga terjadi proses

penguapan glukosa mengakibatkan fruktural dan HMF ikut terbuang. Akibatnya

glukosa warnanya menjadi coklat muda dan nilai brix yang dihasilkan 26%.

Sedangkan proses hidrolisis yang pemanasannya menggunakan panci bertekanan

tinggi (Auto Clave) hasil glukosanya memiliki warna cenderung coklat tua dengan

nilai brix 23%

Pada proses sakarifikasi yang dilakukan dengan auto clave seharusnya

nilai brix (kadar gula) yang dihasilkan lebih tinggi dibandingkan dengan proses

hidrolisis yang dilakukan menggunakan kompor. Pada proses di dalam auto clave

secara fisik substrat berada diruang tertutup yang berada pada tekanan dan suhu

yang konstan, sehingga fruktural dan HMF pada glukosa tidak ikut terbuang ke

lingkungan. Dengan demikian nilai kualitas gula dapat lebih besar dari 26%.

Proses Fermentasi

Fermentasi merupakan suatu proses untuk mengubah bahan dasar menjadi

suatu produk oleh masa sel mikroba. Produk yang diharapkan dalam proses adalah

produk etanol yang diperoleh melalui konversi dari bentuk gula menjadi etanol

(alkohol) dengan menggunkan mikroba Saccharomyces cerevisiae. Dalam

percobaan yang dilakukan mikroba Saccharomyces cerevisiae berasal dari

ragi/khamir roti (ferniphan).

Pada percobaan yang dilakukan merupakan proses fermentasi anaerobik

Setelah waktu fermentasi selama 24 jam timbul gelembung di permukaan sekitar

lubang selang. Dan setelah 72 jam kemudian hasil yang terjadi adalah aquades

pada wadah indikator naik melalui selang sampai dengan + 10 cm.

Aquades dari wadah indikator dapat naik melalui selang dikarenakan

substrat (mikroba) yang tumbuh dalam media fermentasi membutuhkan oksigen,

sehingga ketika substrat (mikroba) menghirup oksigen dari wadah indikator

melalui selang terlihat air menjadi naik. Oksigen yang dibutukan pada substrat

sebesar 0,05-0,10 mmHg tekanan oksigen. Proses fermentasi tidak membutuhkan

jumlah oksigen yang lebih dari itu, karena dapat mendorong pertumbuhan

mikroba dengan cepat dan mengkonsumsi gula.

Hasil kadar gula setelah proses fermentasi diperoleh 15% dari total semula

23%. Dengan demikian dapat disumpulkan konversi gula menjadi alkohol

berhasil. Indikator keberhasilan proses fermentasi dapat pula diketahui dengan

cara melihat gelembung-gelembung udara yang ada pada indikator aquades, yang

sebenarnya gelembung itu merupakan gas karbondioksida (CO2) salah satu hasil

dari fermentasi.

Pada proses fermentasi terdapat beberapa faktor yang dapat mempengaruhi

kerja bakteri untuk melakukan fermentasi di antaraya adalah sebagai berikut :

1. Nutrisi

Pada saat ragi melakukan proses fermentasi, ragi memerlukan tambahan

nutrisi untuk pertumbuhan dan perkembangbiakan. Sehingga ragi dapat

bekerja secara optimal dan menghasilkan fermentasi yang bagus. Nutrisi

yang dapat diberikan kepada ragi adalah sebagai berikut :

Unsur C : Terdapat pada karbohidrat

Unsur N : Dengan penambahan pupuk yang mengandung

nitrogen ZA,urea

Unsur P : Penambahan pupuk fospat dari NPK, STP dll

2. Keasaman ( pH )

Untuk fermentasi alkohol ragi memerlukan tingkat keasaman atau pH

antara 4-5. Pengaruh pH dilakukan penambahan asam sulfat jika

subtratnya alkalis atau natrium bikarbonat jika subtratnya asam.

3. Temperatur

Temperatur umum yang digunakan ragi untuk pertumbuhan dan

perkembangbiakan ragi adalah dengan suhu ruang yaitu 27oC – 30oC pada

waktu fermentasi.

4. Udara

Fermentai alkohol berlangsung secara anaerobik (tanpa udara). Namun

udara masih di perlukan pada proses pembibitan sebelum fermentasi,

untuk perkembangbiakan ragi sel.

5. Volume starter

Pada umunya volume starter yang digunakan 5% dari volume larutan

fermentasi. Hal ini dikarenakan pada volume starter yang lebih kecil dari

5% maka kecepatan fermentasi kecil, sedangkan pada volume starter yang

lebih besar dari 5% keaktifan khamir berkurang karena alkohol yang

terbentuk pada awal fermentasi sangat banyak sehingga fermentasinya

lebih lama dan banyak glukosa yang tidak terfermentasi.

Proses Distilasi

Proses distilasi yang akan dilakukan merupakan proses distilasi secara

sederhana dimana prinsip dari proses distilasi sederhana adalah memisahkan dua

atau lebih komponen cairan berdasarkan titik didih (volatilitas) yang jauh berbeda.

Dari jumlah bahan baku 90 gr tepung ubi kayu di peroleh hasil 289 ml

cairan etanol. Namun yang digunakan untuk proses distilasi hanya 200 ml, dan

didapat hasil distilasi 117 ml bioetanol dengan kadar alkohol 11%. Nilai

perbandingan kadar etanol atau rendemen yang dapat di hasilkan adalah sebagai

berikut :

Rendemen = kadar alkohol x bioetanol

= 11% x 117

= 12,87 ml

Namun bila kita mengunakan semua bahan hasil fermentasi untuk melakukan

proses distilasi maka dapat diperoleh rendemen sebagai berikut :

Rendemen = (ml)

= ml

= 18,59 ml

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa proses pembuatan

bioetanol dari ubi kayu dengan hidrolisis asam sulfat berkonsentrasi rendah 0,4 M

dapat menghasilkan kadar gula (brix) tinggi dan kadar etanol yang dihasilkan 11%

dari total bahan penepungan 90 gr.

Saran

Untuk menghasilkan jumlah etanol yang optimal dibutuhkan ketelitian dan

kedisiplinan yang tinggi sesuai dengan prosedur penelitian. Karena semakin

banyak terjadi kesalahan yang tidak sesuai dengan prosedur penelitian maka

tingkat keberhasilan mendapatkan etanol semakin kecil.

DAFTAR PUSTAKA

Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian. 2011. Inovasi Pengolahan

Singkong Meningkatkan Pendapatan dan Diversifikasi Pangan. Jurnal

elektronik dari internet, diunduh tgl 16 Oktober 2013.

Gaur K. 2006. Process optimization for the production of ethanol via

fermentation. Dissertation. Department of Biotechnology and

Environment Sciences Thapar Institute of Engineering & Technology

(Deemed University). Patiala 147004. Patiala Punjab India.

Musanif, Jammil. Bio-ethanol. Jurnal elektronik

Sassner P, CG Martensson, M Galbe, G Zacchi. 2008. Steam pretreatment of

H2SO4-impregnated Salix for production of bioethanol. J. Bioresource

Technol. 99 (2008) : 137-145

Susmiati, Yuana. 2012. Hidrolisis Asam Pati dan Serat Ubi Kayu Menjadi

Monosakarida Sebagai Substrat Fermentasi Bioetanol. Agro-Techno,

Vol 2 No 3.