b BAB 6 KAJIAN PRODUKSI BIOETHANOL DARI RUMPUT GAJAH


BAB 6

KAJIAN PRODUKSI BIOETHANOL DARI RUMPUT GAJAH

Pokok Bahasan :

Kajian produksi bioethanol dari rumput gajah akan dibahas mengenai kualitas rumput gajah, karena sebelum dilakukan proses selanjutnya perlu diperlukan kualitas bahan baku. Sifat fisik dan kimia ethanol, untuk mengetahui apakah produk yang dihasilkan sudah memenuhi sifat fisik dan sifat kimia. Proses pembuatan ethanol yang digunakan secara umum dan sudah dilakukan pembaharuan. Kajian hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan. Studi pendahuluan yang telah dilaksanakan.

Tujuan Instruksional , pembaca diharapkan :

  1. Memahami pengertian tentang kualitas rumput gajah
  2. Memahami sifat fisik dan kimia ethanol
  3. Memahami proses pembuatan ethanol
  1. Memahami kajian hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan.
  2. Memahami studi pendahuluan yang telah dilaksanakan.

6.1. Pendahuluan

Indonesia mempunyai iklim yang mempermudah tumbuhnya rumput gajah, sehingga ketersediaan rumput gajah dapat secara kontinyu melimpah. Rumput gajah merupakan salah satu tanaman yang kurang dimanfaatkan. Dewasa ini rumput hanya digunakan sebagai makanan ternak, terkadang rumput gajah juga dianggap sebagai tanaman pengganggu. Tetapi rumput gajah mempunyai kadar selulosa yang dapat digunakan sebagai salah satu bahan penghasil ethanol.

            Ethanol atau ethyl alcohol kadang disebut juga ethanol spiritus. Ethanol digunakan dalam beragam industri seperti campuran untuk minuman keras seperti sake atau gin, bahan baku farmasi dan kosmetika, dan campuran bahan bakar kendaraan, peningkat oktan, bensin ethanol (gasohol) dan sebagai sumber oksigen untuk pembakaran yang lebih bersih pengganti (methyl tertiary-butyl ether/MTBE). Karena ethanol mengandung 35 persen oksigen, dapat  meningkatkan efisiensi pembakaran. Ethanol juga ramah lingkungan karena emisi gas buangnya rendah kadar karbon monoksidanya, nitrogen oksida, dan gas-gas rumah kaca yang menjadi polutan serta mudah terurai dan aman karena tidak mencemari lingkungan. Sampai saat ini konsumsi ethanol dunia sekitar 63 persen untuk bahan bakar, terutama di Brazil, Amerika Utara, Kanada, Uni Eropa, dan Australia. Di Asia, Jepang dan Korea Selatan adalah konsumsi terbesar ethanol adalah untuk minuman keras.

Rumput gajah selama ini belum dimanfaatkan secara maksimal dan dapat mengganggu lingkungan apabila dibiarkan begitu saja. Indonesia memiliki beberapa tempat penghasil rumput gajah seperti di Jawa Tengah, Jawa Barat dan Jawa Timur serta akan dikembangkannya dibeberapa daerah lainnya, dengan potensi tersebut dipastikan sumber bahan baku pembuatan ethanol akan tersedia dalam jumlah yang cukup besar.

            Dalam mengembangkan produk ethanol yang tinggi perlu dikaji mengenai BAHAN, MEKANISME  REAKSI dan TEKONOLOGI yang diperlukan. Faktor yang sangat berpengaruh adalah bahan baku, proses hidrolisis dan proses fermentasi.

Tujuan Dan Manfaat Penelitian

Penelitian kajian  produksi bio ethanol dari rumput gajah ini bertujuan untuk menghasilkan produk bioethanol dan suatu prototipe industri ethanol. Disamping itu penelitian ini dapat dipergunakan sebagai acuan dalam mengembangkan industri ethanol di Indonesia, membantu mengembangkan sektor pertanian serta membantu dalam penyediaan campuran bahan bakar dan memberikan nilai ekonomi.

Urgensi (Keutamaan) Penelitian

  1. Program Pemerintan pada tahun 2025 tentang pemakaian ethanol sebagai bahan bakar, produksi ethanol hanya tergantung pada bahan baku tetes merupakan limbah pabrik gula, keberadaan pabrik gula di Indonesia tidak berkembang. Tetes yang dihasilkan tidak memenuhi kuantitas, sehingga perlu pengembangan bahan baku alternatif untuk produk ethanol.
  2. Rumput gajah hasil pertanian yang melimpah dan saat ini hanya dipergunakan untuk pakan sapi.
  3. Berdasarkan kajian pendahuluan rumput gajah mengandung selulosa yang cukup besar (40,85 %) yang dapat diproduksi menjadi ethanol.
  4. Indonesia memiliki industri ragi (Saccharomyces cerevisiae) yang nantinya dapat dipergunakan dalam produksi ethanol.
  5. Sejak Menteri Negara Riset dan Teknologi me-launching Bahan bakar Gasohol BE-10 pada akhir Januari 2005, dimana bahan baku yang digunakan untuk pembuatan ethanol dari ketela pohon dan jagung, mempunyai harga jual yang sangat berfluktuaktif, sehingga harga jualnya jauh lebih mahal dari bahan bakar minyak (BBM).
  6. Pemerintah melakukan impor BBM, hal ini menunjukkan kebutuhan BBM nasional cukup besar sedangkan produksi dalam negeri tidak mencukupi sehingga sering terjadi kelangkaan BBM dan harga BBM menjadi sangat mahal, dan harga kebutuhan pokok ikut mahal, yang mengakibatkan terganggunya sektor ekonomi.
  7. Berdasarkan kajian literatur dan studi pendahuluan diketahui bahwa bahan baku yang mempunyai kadar selulosa yang tinggi dapat menghasilkan ethanol.

 

6.2. Studi Pustaka Kajian Bioethanol

6.2.1. Kualitas Rumput Gajah

            Rumput gajah dikenal dengan nama ilmiah : Pennisetum Purpureum Schumach. Nama daerahnya : Elephant grass, napier grass (Inggris), Herbe d’elephant, fausse canne a sucre (Prancis), Rumput Gajah (Indonesia, Malaysia), Buntot-pusa (Tagalog, Filipina), Handalawi (Bokil), Lagoli (Bagobo), Ya-nepia (Thailand), Co’ duoi voi (Vietnam), Pasto Elefante (Spanyol). Rumput gajah berasal dari Afrika tropika, kemudian menyebar dan diperkenalkan ke daerah-daerah tropika didunia. Dikembangkan terus-menerus dengan berbagai silangan sehingga menghasilkan banyak kultivar, terutama di Amerika, Philipina dan India. Rumput gajah merupakan keluarga rumput-rumputan (graminae) yang telah dikenal manfaatnya sebagai pakan ternak pemamah biak (ruminansia) yang alamiah di Asia Tenggara.

Rumput gajah secara umum merupakan tanaman tahunan yang berdiri tegak, berakar dalam, tinggi rimpang yang pendek.Tinggi batang dapat mencapai 2-4 meter (bahkan mencapai 6-7 meter), dengan diameter batang dapat mencapai lebih dari 3 cm dan terdiri sampai 20 ruas/buku. Tumbuh membentuk rumpun dengan lebar rumpun hingga 1 meter. Pelepah daun gundul hingga berbulu pendek, helai daun bergaris dengan dasar yang lebar, ujungnya runcing.

Kandungan nutrien setiap ton bahan kering adalah : N : 10-30 kg  ;  P : 2-3 kg  ;  K : 30  kg  ;  Ca : 3-6 kg  ;  Mg dan S : 2-3 kg (http://aquat1.ifas.ufl.edu/penpur.html) .

Kandungan lain dari rumput gajah adalah : protein kasar 5,2 % dan serat kasar 40,85%  (http://www.fao.org/WAICENT/FAOINFO/AGRICULT/AGP/AGPC/doc/Gbase/DATA/Pf000301.htm).

Gambar 6.1. Rumput gajah yang berumur sekitar 2 minggu.

            Selulosa adalah polimer β-glukosa dengan ikatan β-1, 4 diantara satuan glukosanya. Selulosa berfungsi sebagai bahan struktur dalam jaringan tumbuhan dalam bentuk campuran polimer homolog dan biasanya disertai polosakarida lain dan lignin dalam jumlah yang beragam. Molekul selulosa memanjang dan kaku, meskipun dalam larutan. Gugus hidroksil yang menonjol dari rantai dapat membentuk ikatan hidrogen dengan mudah, mengakibatkan kekristalan dalam batas tertentu. Derajat kekristalan yang tinggi menyebabkan modulus kekenyalan sangat meningkat dan daya regang serat selulosa menjadi lebih besar dan mengakibatkan makanan yang mengangung selulosa lebih liat (John,1997).

Selulosa yang merupakan polisakarida terbanyak di bumi dapat diubah menjadi glukosa dengan cara hidrolisis asam (Groggins,1985).

Gambar 6.2. Rumus Bangun Selulosa

6.2.2. Sifat Fisik dan Kimia Ethanol

Hasil yang diinginkan dari fermentasi glukosa adalah ethanol, Ethanol mempunyai rumus dasar C2H5OH dan mempunyai sifat-sifat fisik sebagai berikut:

  1. Cairan tidak berwarna
  2. Berbau khas, menusuk hidung
  3. Mudah menguap
  4. Titik didih 78,32 oC
  5. Larut dalam air dan ether
  6. Densitas pada 15 oC adalah 0,7937
  7. Spesifik panas pada 20 oC adalah 0,579 cal/gr oC
  8. Panas pembakaran pada keadaaan cair adalah 328 Kcal
  9. Viskositas pada 20 oC adalah 1,17 cp
  10. Flash point adalah sekitar 70 oC

Sifat-sifat kimia ethanol :

  1.  Berat molekul adalah 46,07 gr/mol
  2.  Terjadi dari reaksi fermentasi monosakarida
  3.  Bereaksi dengan asam asetat, asam sulfat, asam nitrit, asam ionida

(Faith, 1957 dan  Soebijanto, 1986).

Kebutuhan ethanol di dunia makin meningkat, hal ini dapat juga dilihat pada kebutuhan ethanol nasional sebagai berikut :

Tabel 6.1. Jumlah Kebutuhan Ethanol Nasional

Tahun

Kebutuhan Ethanol (Liter)

2001

2002

2003

2004

25.251.852

21.076..317

34.063.193

230.613.100

 

Sumber : BPS,Surabaya

6.2.3. Proses Pembuatan Ethanol

Bahan-bahan yang mengandung monosakarida (C6H12O6) sebagai glukosa langsung dapat difermentasi menjadi ethanol. Akan tetapi disakarida pati, atau pun karbohidrat kompleks harus dihidrolisa terlebih dahulu menjadi komponen sederhana, monosakarida. Oleh karena itu, agar tahap proses fermentasi dapat berjalan secara optimal, bahan tersebut harus mengalami perlakuan pendahuluan sebelum masuk ke dalam proses fermentasi.

Disakarida seperti gula pasir (C12H22O11) harus dihidrolisa menjadi glukosa. Polisakarida seperti selulosa harus diubah  terlebih dahulu menjadi glukosa. Terbentuknya glukosa berarti proses pendahuluan telah berakhir dan bahan-bahan selanjutnya siap untuk difermentasi. Secara kimiawi proses fermentasi dapat berjalan cukup panjang, karena terjadi suatu deret reaksi yang masing-masing dipengaruhi oleh enzim-enzim khusus.

a. Hidrolisis

Hidrolisis adalah reaksi organik dan anorganik yang mana terdapat pengaruh air terhadap komposisi ganda (XY), menghasilkan hydrogen dengan komposisi Y dan komposisi X dengan hidroksil, dengan reaksi sebagai berikut :

XY  +  H2O             HY +   XOH  ………………..  (1)

Hidrolisis asam adalah hidrolisis dengan mengunakan asam yang dapat mengubah polisakarida (pati, selulosa) menjadi gula. Dalam hidrolisis asam biasanya digunakan asam chlorida (HCl) atau asam sulfat (H2SO4) dengan kadar tertentu. Hidrolisis ini biasanya dilakukan dalam tangki khusus yang terbuat dari baja tahan karat atau tembaga yang dihubungkan dengan pipa saluran pemanas dan pipa saluran udara untuk mengatur tekanan dalam udara (Soebijanto, 1986).

            Selulosa dari rumput dapat diubah menjadi ethanol dengan proses hidrolisis asam dengan kadar tertentu. Proses hidrolisis selulosa harus dilakukan dengan asam pekat agar dapat menghasilkan glukosa (Fieser, 1963).

Proses hidrolisis ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya :

  1. pH (derajat keasaman)

pH mempengaruhi proses hidrolisis sehingga dapat dihasilkan hidrolisis yang sesuai dengan yang diinginkan, pH yang baik untuk proses hidrolisis adalah 2,3 (Soebijanto,1986).

  1. Suhu

Suhu juga mempengaruhi proses kecepatan reaksi hidrolisis, suhu yang baik untuk hidrolisis selulosa adalah sekitar 21 oC

  1. Konsentrasi

Konsentrasi mempengaruhi laju reaksi hidrolisis, untuk hidrolisis asam digunakan konsentrasi HCl pekat atau H2SO4 pekat (Groggins,1985). Dalam proses ini selulosa dalam rumput gajah diubah menjadi glukosa dengan reaksi sebagai berikut:

(C6H10O5)n  +  n H2O                   nC6H12O6        ……………….  (2)

Selulosa                                        Glukosa

            Khamir adalah mikroorganisme bersel tunggal dengan ukuran antara 5 – 20 mikron, biasanya berukuran sampai 5-10x lebih besar dari bakteri. Terdapat berbagai  macam bentuk ragi, bentuk ini tergantung pada pembelahannya. Sel khamir sering dijumpai secara sel tunggal, tetapi apabila anak-anak sel tidak dilepaskan dari induknya setelah pembelahan, maka akan terjadi bentuk yang disebut pseudomiselum. Khamir tidak bergerak, pembelahan khamir terjadi secara aseksual atau tunas. Khamir sangat berperan penting dalam membantu proses-proses pembuatan bir, salah satu khamir yang baik untuk pembuatan ethanol adalah saccharomyces cerevisiae yang mana tunasnya berkembang dari bagian permukaan sel induk (Buckle,1985).

 

 

b. Fermentasi

            Proses fermentasi yang dilakukan adalah proses fermentasi yang tidak menggunakan oksigen atau proses anaerob. Cara pengaturan produksi ethanol dari gula cukup komplek, konsentrasi substrat, oksigen, dan produk ethanol, semua mempengaruhi metabolisme khamir, daya hidup sel, pertumbuhan sel, pembelahan sel, dan produksi ethanol. Seleksi galur khamir yang cocok dan mempunyai toleransi yang tinggi terhadap baik konsentrasi, substrat ataupun alkohol merupakan hal yang penting untuk peningkatan hasil (Higgins dkk,1985).

Fermentasi pertama kalinya dilakukan perlakuan dasar terhadap bibit fermentor / persiapan starter. Dimana starter diinokulasikan sampai benar-benar siap menjadi fermentor, baru dimasukkan ke dalam substrat yang akan difermentasi (Dwijoseputro). Bibit fermentor yang biasa digunakan adalah Saccharomyces cerevisiae.

Saccharomyces cerevisiae mempunyai ciri-ciri sebagai berikut:

  1. Mempunyai bentuk sel yang bulat, pendek oval, atau oval.
  2. Mempunyai ukuran sel (4,2-6,6) x (5-11) mikron dalam waktu tiga hari pada 25 oC dan pada media agar.
  3. Dapat bereproduksi dengan cara penyembulan atau multilateral.
  4. Mampu mengubah glukosa dengan baik.
  5. Dapat berkembang dengan baik pada suhu antara 20-30 oC (Judoamidjojo,1992).

Proses fermentasi dipengaruhi oleh :

  1. Nutrisi

Pada proses fermentasi, mikoroorganisme sangat memerlukan nutrisi yang baik agar dapat diperoleh hasil fermentasi yang baik. Nutrisi yang tepat untuk menyuplai mikroorganisme adalah nitrogen yang mana dapat diperolah dari penambahan NH3­, garam amonium, pepton, asam amino, urea. Nitrogen yang dibutuhkan sebesar 400-1000 gram/1000 L cairan. Dan phospat yang dibutuhkan sebesar 400 gram/1000 L cairan (Soebijanto,1986). Nutrisi yang lain adalah amonium sulfat dengan kadar 70-400 gram / 100 liter cairan (Judoamidjojo,1992).

  1. pH

pH yang baik untuk pertumbuhan bakteri adalah 4,5 – 5. Tetapi pada pH 3,5 fermentasi masih dapat berjalan dengan baik dan bakteri pembusuk akan terhambat, untuk mengatur pH dapat digunakan NaOH dan HNO3.     

  1. Suhu

Suhu yang baik untuk pertumbuhan bakteri adalah antara 20-30 oC. Makin rendah suhu fermentasi, maka akan semakin tinggi etanol yang akan dihasilkan, karena pada suhu rendah fermentasi akan lebih komplit dan kehilangan etanol karena terbawa oleh gas CO2 akan lebih sedikit.

  1. Waktu

Waktu yang dibutuhkan untuk fermentasi adalah 7 hari (Judoamidjojo.1992)

  1. Kandungan gula

Kandungan gula akan sangat menpengaruhi proses fermentasi, kandungan gula optimum yang diberikan untuk fermentasi adalah 25%, untuk permulaan, kadar gula yang digunakan adalah 16% (Sardjoko.1991).

  1. Volume starter

Volume starter yang baik untuk melakukan fermentasi adalah 1/10 bagian dari volume substrat.

Dalam proses fermentasi ini, glukosa dari hasil fermentasi diubah menjadi etanol dengan reaksi sebagai berikut :

Saccharomyces S.

C6H12O6                                    2C2H5OH  +  2CO­2    ……………..  (3)

Glukosa                                   Ethanol

6.2.4. Kualitas Ethanol

Kandungan Ethanol dalam rumput gajah dapat dikendalikan dengan mengatur berbagai faktor yang mempengaruhi : Konsentrasi selulosa, pati dan glukosa, pH, Perbandingan rumput gajah dengan larutan HCl, Jumlah Saccharomyces cerevisiae, Waktu fermentasi . Kualitas produk yang akan dihasilkan mempunyai standar komposisi sebagai berikut :

No

Komponen

Komposisi produk (% berat)

1

Rumput gajah

40 – 70%

2

Gula reduksi

15 – 25%

3

Ethanol

10 – 12%

Disamping kualitas berdasarkan komposisi, ethanol ini mempunyai keunggulan lain dibanding dengan ethanol yang ada saat ini seperti :

  1. Bahan baku rumput gajah tersedia dalam jumlah yang cukup besar
  2. Mempunyai kadar selulosa yang tinggi (40,85 %)
  3. Sesuai untuk daerah subtropis dan tropis seperti di Indonesia

 

 

 

6.2.5.  Kajian hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan

     Beberapa publikasi tentang proses pembuatan Ethanol yang dipublikasikan diantaranya :

a.  Penelitian yang sudah dilakukan terhadap biji kapas dengan proses hidrolisis yang menggunakan 0,8 % H­2SO4 pada suhu 120oC selama 1 jam sehingga dihasilkan kadar glukosa tertinggi 13,848 %, glukosa ini mendapat perlakuan fermentasi yang optimum selama 72 jam dengan kadar alkohol 7,86 % (Rois, 2005).

b.  Penelitian lain juga dilakukan terhadap buah siwalan menggunakan proses hidrolisis pada suhu 100 oC,  pH 2,3 dan H2SO4 1 N, dihasilkan kadar glukosa optimum sebesar 21,86 % kemudian dilakukan proses fermentasi dengan penambahan optimum (NH4)HPO4 sebesar 9 gram, sehingga diperoleh 9,92 % ethanol dan kadar glukosa sisa sebesar 8,02 % (Eri, 2007).

6.2.6.  Studi pendahuluan yang telah dilaksanakan

      Beberapa penelitian yang telah dilaksanakan berkaitan dengan pemanfaatan tanaman yang berselulosa tinggi  sebagai ethanol diantaranya :

a. Ni Ketut Sari, Ketut Sumada (2006), “Kajian Produksi Ethanol dari Bengkuang” Penelitian ini mengkaji tentang produk ethanol dengan proses hidrolisis dengan peubah derajat keasaman (pH) dan perbandingan H­2SO4 dengan bengkuang, dimana menggunakan 0,8 % H­2SO4 pada suhu 120 oC selama 1 jam sehingga dihasilkan kadar gula reduksi tertinggi 5 % dan kadar pati 16 %. Gula reduksi ini mendapat perlakuan fermentasi yang optimum selama 24 – 72 jam dengan variable waktu fermentasi diperoleh kadar alkohol 9 %.

b.  Ni Ketut Sari, Ketut Sumada (2006), “Kajian Produksi Ethanol dari Air Leri” Penelitian ini mengkaji tentang menggunakan proses hidrolisis pada suhu 100 oC,  pH 2,3 dan H2SO4 1 N, dihasilkan kadar gula reduksi optimum sebesar 6,7 % dan kadar pati 7 %, kemudian dilakukan proses fermentasi dengan penambahan optimum (NH4)HPO4 sebesar 9 gram, sehingga diperoleh 20 % ethanol.

c. Ni Ketut Sari (2007), “Kajian Produksi Ethanol dari Limbah Tepung Tapioka” Penelitian ini mengkaji tentang produk ethanol dengan proses hidrolisis yang menggunakan H­2SO4 1 N pada suhu 110 oC selama 2 jam sehingga dihasilkan kadar gula reduksi tertinggi 5 % dan kadar pati 16 %, gula reduksi ini mendapat perlakuan fermentasi yang optimum selama 5 – 25 jam dengan kadar alkohol 11 -16 %.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: