BAB I PENDAHULUAN
A. LATA LATAR R BEL BELAK AKAN ANG G
Pada Pada masa masa seka sekara rang ng dima dimana na kecen kecende deru rung ngan an pema pemaka kaia ian n baha bahan n baka bakarr sang sangat at ting tinggi gi sedangkan sumber bahan bakar minyak bumi yang dipakai saat ini semakin menipis. Perlu adanya alternatif lain bahan yang dapat digunakan sebagai pengganti minyak bumi. Penggunaan etanol sebagai pengganti minyak bumi. Penggunaan etanol sebagai bahan bakar merupakan salah satu jalan pemecahan masalah energi pada saat ini. Saat ini sedang diusahakan secara intensif pemanfaatan bahan-bahan yang mengandung serat kasar dengan kandungan karbohidrat yang tinggi, dimana semua bahan yang mengandung karbohidrat dapat diolah menjadi etanol. Misalnya kayu, umbi kayu, ubi jalar, pisang, kulit pisang dan lain-lain. Etanol dapat dihasilkan dari tanaman yang banyak mengandung senyawa selulosa dengan menggunakan bantuan dari aktivitas mikroba. Kayu merupakan jenis tumbuhan tropis yang sangat banyak dijumpai di Indonesia, tetapi hasil dari proses industri penggergajian kayu kebanyakan menyisakan limbah padat berupa serbuk gergaji dan serpihan kayu yang terbuang menumpuk di suatu lokasi tertentu yang dapat menggangg mengganggu u kondisi kondisi lingkungan lingkungan sekitar, sekitar, sehingga sehingga diperlukan diperlukan penanganan penanganan terhadap terhadap limbah limbah padat hasil penggergajian kayu tersebut. Berdasarkan komposisi kimia kayu kandungan yang paling banyak adalah karbohidrat, dalam hal ini adalah selulosa yang dapat diolah menjadi etanol. Mengingat akan hal tersebut dan prospek yang baik di masa yang akan datang, maka penyusun penyusun mencoba mencari peluang peluang untuk untuk memanfaatkan memanfaatkan kayu sebagai sebagai bahan baku dalam pembuatan etanol.
B. TUJU TUJUAN AN PEN PENEL ELIT ITIA IAN N
Penelitian ini bertujuan mendapatkan kondisi yang terbaik pada proses pengolahan limbah kayu menjadi etanol dengan proses fermentasi dengan variabel perbandingan berat serbuk kayu dengan yeast Saccharomyces cereviseae dan waktu fermentasi.
C. TINJAU TINJAUAN AN PUST PUSTAKA 1. Limbah Kayu
Limbah kayu ada bermacam-macam yaitu : a. Limb Limbah ah pemo pemoto tong ngan an kayu kayu,, b. Limbah Limbah pengge penggerga rgajian jian kayu, kayu, c. Limb Limbah ah kayu kayu kare karet. t. 1
Limbah kayu yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah kayu hasil peggergajian kayu, dimana pada industri penggergajian kayu 40% yang menjadi limbah terdiri dari serbuk gergaji (15%) dan serpihan kayu (25%). Menurut Sjostrom (1995), kayu memiliki komposisi sebagai berikut : a. Selulosa
: 40% - 50%,
b. Hemiselulosa : 20% - 30% c.
Lignin
: 25% - 30%
Pada penelitian ini serbuk gergaji yang diteliti setelah dianalisis mempunyai kandungan selulosa, lignin, pentosan, air dan abu. Untuk kadar selulosa didapat 48,8935%, kadar lignin 28,8977%, kadar abu 2,09435%, kadar air 6,015%, kadar pentosan 14,09945%. 2. Selulosa
Selulosa merupakan struktur dasar sel-sel tanaman, oleh karena itu merupakan bahan alam yang paling penting yang dibuat oleh organisme hidup. Selulosa terdapat pada semua tanaman dari pohon bertingkat tinggi hingga organisme primitif seperti rumput laut, flagellate dan bakteri. Selulosa merupakan komponen kayu yang terbesar, yang dalam kayu lunak dan kayu keras jumlahnya mencapai hampir setengahnya. Selulosa merupakan polimer linier dengan berat molekul tinggi yang tersusun seluruhnya atas ß-D-glukosa. Karena sifat-sifat kimia dan fisikanya maupun struktur utama dinding sel tumbuhan. Didalam kayu, selulosa juga terikat erat dengan poliosa dan lignin dan pemisahannya memerlukan perlakuan kimia yang intensif. Untuk memperoleh selulosa murni 100% dari kayu, alfa selulosa harus mengalami perlakuan intensif lebih lanjut, seperti hidrolisis parsial, pelarutan dan pengendapan. Selulosa merupakan bahan dasar dan banyak produk teknologi (kertas, film, serat, aditif dan sebagainya). (Fenger dan Wegner, 1995) 3. Yeast
Mikroba yang dapat berperan dalam proses fermentasi dalah bakteri, yeast dan jamur benang. Dari tiga golongan ini yang berperan dalam proses fermentasi alkohol dari bahan bergula adalah jenis yeast. Terutama genus Saccharomyces seperti : Saccharomyces cereviseae,
Saccharomyces
carlbergensis,
Saccharomyces
anamensisi
dan
Schizosaccharomyces pombe. 4. Etanol
Etanol merupakan pelarut pada pembuatan pernis, pelarut bagi bahan organik lainnya seperti minyak wangi dan digunakan sebagai komponen utama dalam spiritus. Pada labotarium dan industri digukan sebagai pelarut (Sa’id, 1987). 2
Etanol dapat dihasilkan dari tanaman yang banyak mengandung selulosa dengan menggunakan bantuan dari aktivitas mikroba. Etanol merupakan senyawa organik yang mengandung gugus hidroksida dan mempunyai rumus umum CnH 2n+1OH. Istilah etanol dalam industri disebut juga etil alkohol yang gugus hidroksilnya terikat pada atom karbon primer. Sifat-sifat etanol yang mudah menguap, mudah terbakar, berbau spesifik, cairannya tidak berwarna dan mudah larut dalam air, eter, chloroform dan aseton. Pembuatan alkohol antara lain dengan sintesa dari etilen, fermentasi etanol dengan bantuan mikroba dan lain-lainnya.
D. LANDASAN TEORI
Produk etanol diarahkan untuk sumber energi, sehingga serbuk kayu yang mengandung alfa selulosa dapat diproses menjadi etanol. Tahapan dalam proses pengolahan serbuk kayu menjadi etanol ada 2 tahap yaitu : 1. Proses Hidrolisis
Hidrolisis adalah reaksi kimia antara air dengan suatu zat lain yang menghasilkan satu zat baru atau lebih dan juga dekomposisi suatu larutan dengan menggunakan air. Proses ini melibatkan pengionan molekul air ataupun penguraian senyawa lain. (Pudjaatmaka dan Qodratillah, 2002) Hidolisis dalam penelitian ini menggunakn alfa selulosa untuk memperoleh alfa selulosa murni 100% untuk diubah menjadi glukosa. Persamaan reaksi hidrolisis :
H2SO4
C6H10O5 + H2O
C6H12O6 T=100°C, t=3 jam
(selulosa)
(air)
(glukosa)
Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap proses hidrolisis adalah : a. Waktu hidrolisis Semakin lama waktu hidrolisis maka glukosa yang dihasilkan semakin besar. Dalam penelitian ini digunakan waktu hidrolisis selama 3 jam. b. Suhu Semakin tinggi suhu hidrolisis maka glukosa yang dihasilkan semakin besar, sampai mencapai suhu didih campuran yaitu 100°C. c. Kecepatan pengadukan 3
Semakin cepat kecepatan pemngadukan maka hasil glukosa semakin besar. Pada penelitian ini diambil kecepatan yang tetap yaitu 200 rpm. d. Katalis yang digunakan Dalam proses fermentasi biasanya dipakai asam klorida dan asam sulfat. Dalam penelitian ini dipakai asam sulfat karena asam sulfat mempunyai titik didih yang lebih tinggi daripadaasam klorida sehingga asam sulfat mampu mendestruksi serbuk gergaji menjadi selulosa. Selain itu asam sulfat dapat dipulihakan dengan destilasi. 2. Proses Fermentasi
Fermentasi adalah suatu proses baik secara aerob maupun anaerob yang menghasilkan produk yang melibatkan mikroba atau ekstraknya dengan aktivitas mikroba terkontrol dalam hal ini terjadi reaksi oksidasi dan reduksi menggunakan sumber energi dan sumber karbon, nitrogen dan lain-lainnya untuk membentuk senyawa yang lebih tinggi. Persamaan reaksi proses fermentasi : Saccharomyces cereviseae
C6H12O6
2C2H5OH + 2CO2 T = 30°C, pH = 4
(glukosa)
(etanol)
(karbondioksida)
Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses fermentasi adalah : a. Konsentrasi gula Konsentrasi
gula
akan
berpengaruh
terhadap
aktivitas Saccharomysec
cereviseae. Konsentrasi gula yang sesuai kira-kira 10-18%. Konsentrasi gula diatas 18% akan menghambat aktivitas dari Saccharomysec cereviseae, sedangkan jika konsentasi dibawah 10% menyebabkan fermentasi tidak e konomis. b. pH larutan pH substrat atau media fermentasi merupakan salah satu factor yang menentukan kehidupan Saccharomysec cereviseae adalah bahwa pertumbuhan dapat berlangsung dengan baik pada kondisi pH 4 – pH 6. Pada penelitian ini digunakan pH 4. c. Nutrisi Selain sumber karbon, Saccharomysec cereviseae juga memerlukan sumber nitrogen, vitamin dan mineral dalam pertumbuhannya. Pada umumnya sebagian besar Saccharomysec cereviseae memerlukan vitamin seperti biotin dan thiamin yang diperlukan untuk pertumbuhannya. Beberapa mineral juga harus ada untuk pertumbuhan Saccharomysec cereviseae seperti phospat, kalium, sulfur, tembaga, sejumlah kecil senyawa besi. Nutrisi yang biasa dipakai untuk pertumbuhan bakteri adalah urea, NPK, amonium sulfat dan amonium nitrat. 4
d. Suhu Suhu optimum untuk pertumbuhan Saccharomysec cereviseae dan aktivasinya adalah 25-35°C. Suhu memegang peranan penting, karena secara langsung dapat mempengaruhi aktivitas Saccharomysec cereviseae dan secara tidak langsung akan mempengaruhi kadar etanol yang dihasilkan. e. Waktu Fermentasi Semakin lama waktu fermentasi maka etanol yang dihasilkan semakin besar samapai batas tertenu. Jika waktunya terlalu cepat Saccharomysec cereviseae masih dalam masa pertumbuhan sehingga etanol yang dihasilkan dalam jumlah sedikit dan jika terlalu lama Saccharomysec cereviseae akan mati maka etanol yang dihasilkan tidak maksimal. f. Perbandingan berat serbuk kayu dengan yeast Semakin banyak serbuk kayu (selulosa) yang dihidrolisis, maka semakin banyak glukosa yang dihasilkan. Sehingga semakin banyak glukosa yang digunakan dalam proses fermentasi, maka semakin banyak etanol yang dihasilkan.
E. BATASAN MASALAH 1.
Limbah kayu yang digunakan merupakan campuran dari berbagai macam kayu.
2. Proses yang diteliti lebih jauh dalam penelitian ini adalah proses fermentasi.
F. HIPOTESIS 1.
Semakin lama waktu fermentasi maka etanol yang dihasilkan semakin banyak sampai batas tertentu.
2. Semakin berat perbandingan serbuk gergaji kayu dengan yeast maka semakin banyak etanol yang dihasilkan sampai batas tertentu.
5
BAB II PELAKSANAAN PENELITIAN
A.
BAHAN BAKU DAN RANGKAIAN ALAT
1. Bahan Baku
Bahan baku dalm penelitian ini terdiri dari : a.
Serbuk gergaji kayu diambil dari toko kayu gelondongan dan penggergajian kayu pada CV. Bangun Jaya, Jl.Imogiri Barat, dianalisis kadar selulosanya, lignin, pentosan, air dan abu. Untuk kadar selulosa 48,89%, kadar lignin 28,90%, kadar abu 2,09%, kadar air 6,02%, dan kadar pentosan 14,10%.
b.
Yeast Saccharomyces cerevisiae teknis, diperoleh dari Toko Indo Sari, Jl. Mataram 16 Yogyakarta dalam bentuk ragi roti.
2. Rangkaian Alat
Gambar 1. Rangkaian alat hidrolisis Keterangan gambar : 1.
Labu leher tiga 500 ml
2. Motor pengaduk 3. Termometer 4. Pendingin balik 5. Kompor pemanas 6. Waterbath 7. Klem 8. Statif 6
Gambar 2. Rangkaian alat fermentasi anaerob
1.
Keterangan : Alumunium foil 2. Erlenmeyer 3. Media fermentasi
7
B. CARA KERJA
Pembuatan etanol menggunakan limbah padat kayu (serbuk kayu) yang dilakukan secara fermentasi memiliki tahapan sebagai berikut : 1. Proses Pembuatan Glukosa (Hidrolisis)
Memasukkan limbah kayu (serbuk kayu) dengan berat tertentu dan asam sulfat 5% sebanyak 500 ml ke dalam digester pada suhu 100° C dengan tekanan atmosferik selama 3 jam. Lalu didinginkan, selanjutnya ditiris dan dianalisis kadar glukosanya, kemudian glukosa (cairannya) digunakan untuk proses selanjutnya. 2. Proses Fermentasi
Larutan glukosa dari labu leher tiga diambil dimasukkan ke dalam erlenmeyer. Glukosa sebanyak 100 ml dari glukosa hasil hidrolisis tersebut ditambahkan Ca(OH) 2 sebanyak 20 ml, diberi ragi sebanyak 1 gram dan ditambahkan 0,25 gr N aHSO3 dan 0,5 gr Na 2HPO4 . Kemudian ditutup rapat-rapat dengan selang yang dihubungkan dengan botol yang berisi air yang akan muncul gelembung-gelembung gas CO 2. Fermentasi dilakukan selama 3, 4, 5, 6 dan 7 hari. Perlakuan yang sama dilakukan dengan perbandingan berat serbuk kayu dan yeast Saccharomyces cerevisiae.
Hasil dalam penelitian ini didapatkan etanol yang sangat sedikit karena : 1. Konsentrasi glukosa hasil hidrolisis jauh dibawah 10%. Itu berarti tidak memenuhi persyaratan, karena kadar glukosa yang harus dipenuhi antara 10-18%. Sehingga kadar etanol yang dihasilkan sangat kecil. 2.
Nutrisi yang seharusnya digunakan adalah Amonium sulfat dan Amonium nitrat, tetapi dalam penelitian ini digunakan NaHSO 3 0,25 gr dan Na 2HPO4 0,5 gr. Ternyata nutrien yang digunakan salah karena nutrien yang digunakan ternyata merupakan racun bagi bakteri, sehingga etanol yang dihasilkan dalam penelitian ini sangat kecil.
B. ANALISIS HASIL
Hasil fermentasi berupa cairan etanol, yang kemudian dianalisa kadar etanolnya menggunakan refraktometer. Dalam penelitian ini dugunakan gas kromatografi ternyata dalam seminar untuk menganalisa kadar etanol bias menggunakan refraktometer karena selain hasilnya sama ternyata juga lebih efisien dalam hal waktu dan biaya.
8
C. IAGRAM ALIR PROSES PEMBUATAN ETANOL 1. Proses Pembuatan Glukosa (Hidrolisa)
Analisis I Serbuk Kayu
Proses Hidrolisis di dalam labu leher tiga pada suhu T=100 0C dan t= 3 jam
H2SO4 5%
Proses pendinginan berlangsung selama 30 menit
Proses penyaringan untuk memisahkan larutan glukosa dari padatan-padatan yang terlarut.
Padatan
Larutan Glukosa
Analisis II
Keterangan:
a. Analisa I b. Analisa II
: kadar selulosa, abu, air dan lignin. : kadar glukosa.
9
2. Proses Fermentasi
Glukosa 10 ml
Yeast 1 gram
NaHSO3 0,25 gram
Ca(OH)2 20 ml
NaHPO4 0,5 gram
Proses fermentasi dalam fermentor pada T=32°C dan pH=4
Etanol
Analisis III
Keterangan: Analisis III : kadar etanol.
10
BAB III HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
A. ANALISIS PROSES HIDROLISIS
Waktu
: 3 jam
Suhu
: 120OC
H2SO4 5%
: 500 ml
Kecepatan Pengadukan
: 200 rpm
Dari hasil hidrolisis, didapatkan kadar glukosa untuk masing-masing berat serbuk kayu, seperti terlihat pada table 2.
No 1 2 3 4 5
Berat serbuk kayu (gr) 40,0035 50,0011 60,0018 70,0021 80,0080
Kadar Glukosa (%) 0,6286 0,7357 0,9485 1,2684 2,1797
Tabel 2. Hubungan antara berat serbuk kayu dengan kadar glukosa yang dihasilkan
Dari tabel 2. Diketahui bahwa semakin berat serbuk kayu yang dihidrolisis maka semakin banyak kadar gula reduksi yang dihasilkan hal tersebut disebabkan karena semakin banyaknya kandungan alfa selulosa yang terhidrolisis menjadi glukosa, sehingga terjadi perubahan komponen, dari komponen selulosa menjadi komponen gula oleh asam. Dari hasil seminar kadar glukosa yang dihasilkan ternyata tidak memenuhi standar proses fermentasi sehingga dapat dikatakan hasil hidrolisis ini gagal.
B. PROSES FERMENTASI 1. Pengaruh Variasi Perbandingan Serbuk Kayu dengan Yeast
Volume media fermentasi
: 100ml
Yeast
: 1 gr
Na2HPO4
:
NaHSO3
: 0,25 gr
pH
0,5 gr
: ±4 Suhu
:± 300C
Waktu
: 7 hari 11
No 1 2 3 4 5
Berat
Serbuk
(gr) 40,0035 50,0011 60,0018 70,0021 80,0080
Berat Yeast (gr) 1 1 1 1 1
Perbandingan berat serbuk Kadar dan berat yeast 40,0035 : 1 50,0011 : 1 60,0018 : 1 70,0021 : 1 80,0080 : 1
Etanol (%) 0,256 0,274 0,296 0,314 0,377
Tabel 3. Pengaruh perbandingan berat serbuk kayu dengan yeast dengan kadar etanol yang dihasilkan
Dari table 3. Dibuat grafik hubungan antara perbandingan serbuk kayu dengan yeast dan kadar etanol (%).
Grafik ini menunjukkan bahwa berat serbuk kayu berpengaruh terhadap kenaikan kadar etanol, dimana semakin besar berat serbuk kayu maka kadar etanol yang dihasilkan akan terus meningkat. Hal ini terjadi karena semakin banyak kandungan selulosa yang terhidrolisis maka akan semakin tinggi pula kadar glukosa yang dihasilkan, sehingga etanol yang terbentuk juga akan terus meningkat.
12
2. Pengaruh Variasi Waktu Fermentasi
Volume media fermentasi
: 100 ml
Yeast
: 1 gr
Na2HPO4
: 0,5gr
NaHSO3
: 0,25 gr
pH
: ±4 Suhu
:± 300C
Waktu
: 3,4,5,6,7 hari
No
Berat serbuk kayu
1
(gr) 80,0080
Kadar etanol (%) 3 hari 4 hari
5 hari
6 hari
7 hari
0,243
0,279
0,308
0,377
0,257
Tabel 4. Pengaruh waktu fermentasi dengan kadar etanol yang dihasilkan
Dari grafik hubungan antara waktu fermentasi dengan kadar etanol, diperoleh persamaan untuk: berat 80 gram; y=0,144 ln (x) +0,067 dengan ralat rerata sebesar 2,8155 %, dimana y= kadar etanol dan x= waktu fermentasi.
13
Grafik diatas menunjukkan bahwa pada awal fermentasi yaitu pada hari ke-3 mulai terbentuk etanol dengan kenaikan kadar etanol yang sangat kecil, hal ini disebabkan karena pada waktu tersebut mikroba berada pada fase adaptasi. Pada hari ke-4 sampai ke-6 merupakan fase pembiakan cepat,dimana mikroba semakin bertambah sehingga glukosa yang terurai menjadi etanol yang semakin meningkat. Sedangkan pada hari ke-7 mikroba masih membentuk etanol tetapi dengan kenaikan kadar etanol semakin menurun, hal ini disebabkan Karena glukosa didalam cairan semakin berkurang sehingga pertumbuhan mikroba lambat.
14
BAB IV KESIMPULAN
Kondisi terbaik pada penelitian ini adalah perbandingan berat serbuk kayu dengan yeast pada 80:1, waktu fermentasi 7 hari dengan hasil etanol dengan kadar 0,377% untuk setiap 80 gr serbuk kayu. Kadar etanol yang didapat terlalu kecil karena kadar glukosa tidak memenuhi syarat untuk difermentasi, nutrisi yang seharusnya digunakan adalah Amonium sulfat, ammonium nitrat tetapi dalam penelitian ini digunakan Na 2HPO4 0,5 gr dan NaHSO 3 0,25 gr, sehingga tidak menambah nutrisi tetapi merupakan racun bagi bakteri, sehingga alkohol yang dihasilkan pada penelitian ini sangat kecil.
15
DAFTAR PUSTAKA
Dahlan, 1984, Kemungkinan Pembuatan Metanol dari Serbuk Gergaji , 55-75, Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya, Palembang. Eero Sjostrom, 1995, Kimia Kayu : Dasar-dasar dan Penggunaan 68-304, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta. Fenger D. dan Wegener G., 1985, Kayu: Kimia, Ultrastruktur dan Reaksi-reaksi , 619-629, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta. Fessenden.R.J. & Fessenden. J.S., 1986, Kimia Organik , Edisi Ketiga, Jilid 1., 261, Penerbit Erlangga, Jakarta. Presscot,S.C. And Dunn,C.G., 1959, “ Industrial Microbiology”, pp 60-73,102,124 Mc Graw Hill Book company,inc., New York. Sa'ld, 1987, BIOINDUSTRI, Penerapan Teknologi Fermentasi , 205, Mediyatama Sarana Perkasa, Jakarta. Schlegel, 1994, Mikrobiologi Umum, Edisi Keenam, 307, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta. Siregar,S, Pengolahan Limbah Padat Kayu Menjadi Alkohol , Laporan Penelitian, 1-20, Sekolah Tinggi Teknik Lingkungan “YLH” Soedarmadji.S., Hartyono, B. dan Suhardi, 1976, “ Prosedur Analisa untuk Bahan Makanan dan Pertanian” hal 29-30,47,121, Liberty, Yogyakarta. www.google.com/wikipedia/2006
16
