BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pengembangan bioetanol dari biomassa yang banyak mengandung lignoselulosa

seperti bagas merupakan salah satu energi alternatif yang cukup berpotensi untuk

diterapkan di Indonesia. Selain karena sumber bahan bakunya yang melimpah di negara

kita, produksi bioetanol dari bagas juga ramah lingkungan serta membutuhkan biaya

yang relatif murah Bioetanol dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar substitusi bensin

dan sebagai bahan campuran premium. Etanol juga dapat dicampur secara langsung ke

dalam bensin dengan campuran 10% etanol dan 90 % bensin yang biasa disebut gasohol.

Pengembangan bioenergi seperti bioetanol dari biomassa sebagai sumber bahan

baku yang dapatdiperbarui merupakan satu alternatif yang memiliki nilai positif dari

aspek sosial dan lingkungan . Etanol yang mempunyai rumus kimia C2H5OH adalah zat

organik dalam kelompok alkohol dan banyak digunakan untuk berbagai keperluan. Pada

umumnya etanol diproduksi dengan cara fermentasi dengan bantuan mikroorganisme

oleh karenanya sering disebut sebagai bioetanol.

Satu diantara energi alternatif yang relatif murah ditinjau aspek produksinya dan

relatif ramah lingkungan adalah pengembangan bioetanol dari limbah-limbah pertanian

(biomassa) yang mengandung banyak lignocellulose seperti bagas (limbah padat industri

gula) atau tandan kosong kelapa sawit.

Bioteknologi menjanjikan upaya produksi etanol dari bahan-bahan berselulosa

(biomassa), bahan yang berlimpah di dunia ini. Limbah pertanian seperti merang,

bongkol jagung atau limbah industri kehutanan bisa digunakan sebagai bahan baku

produksi etanol. Tumbuhan khusus seperti rumput atau pohon mudah tumbuh dapat

dijadikan sumber energi melalui etanol.

Konversi biokimia dari biomassa menjadi etanol untuk bahan bakar transportasi

meliputi tiga tahap:

1

Pengolahan untuk melarutkan hemiselulosa dan lignin sehingga selulosa lebih

mudah dijangkau oleh enzim.

Hidrolisa selulosa menjadi gula menggunakan enzim.

Gula yang dihasilkan kemudian difermentasi menjadi etanol.

Agar proses produksi biomassa menjadi etanol dapat berlangsung ekonomis dan

mudah, berbagai upaya dilakukan untuk merancang ulang molekul-molekul enzim, alur

biokimia dan sistem sel mikroorganisma yang digunakan.

1.2 Tujuan

Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini adalah:

a. Mengetahui beberapa contoh lignoselulosa yang dapat dijadikan bioethanol.

b. Mengetahui jenis enzim dan mikroba pada proses pembuatan ethanol dari

lignoselulosa.

c. Mengatahui proses fermentasi dari pembuatan ethanol tersebut.

d. Mengataui kualitas produk hasil fermentasi.

e. Mengetahui keuntungan proses pembuatan ethanol dari lignoselulosa.

1.3 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari makalah ini adalah

a. Apa saja biomassa yang dapat dikonversi menjadi bioethanol?

b. Sebutkan jenis enzim dan mikroba yang berperan pada produksi bioethanol dari

lignoselulosa?

c. Bagaimana proses pretreatment dan fermentasi dalam proses tersebut?

d. Apa keuntungan dan kerugian dari proses pembuatan bioethanol dari selulosa

tersebut?

2

BAB II

ISI

Energi merupakan salah satu permasalahan utama dunia pada abad ke-21. Sampai saat

ini bahan bakar minyak masih menjadi konsumsi utama negara-negara dunia. Minyak bumi

bisa menjadi senjata politik yang menakutkan karena sektor industri dunia sangat bergantung

kepada pasokan minyak bumi.

Invansi Amerika Serikat ke Iraq pada 2003 lalu pun lebih disebabkan pada perang

untuk mendapatkan minyak daripada perang untuk melawan terorisme. Amerika Serikat

sebagai konsumen terbesar minyak bumi dunia dengan tingkat konsumsi 25 juta barrel/hari,

tetapi hanya memproduksi 7,5 juta barrel/hari. Oleh karena itu ketersediaan minyak bumi

adalah hal yang sangat vital untuk menjaga keberlangsungan industrinya.

Peranan BBM masih 63% dalam pemakaian energi final nasional-2003. Indonesia yang

dulu menjadi negara pengekspor minyak, sejak tahun 2004 berubah menjadi negara

pengimpor minyak. Pada tahun 2004 Indonesia mengimpor minyak 487 ribu barel/hari.

Sementara itu harga minyak dunia terus mengalami peningkatan harga. Hal ini jelas akan

menggoyang perekonomian nasional.

Struktur APBN masih bergantung pada penerimaan migas dan subsidi BBM. Naiknya

harga minyak dunia mengakibatkan membengkaknya subsidi BBM. Kebijakan pengurangan

subsidi BBM yang diterapkan pemerintah akhirnya berakibat pada meningkatnya biaya-biaya

perekonomian masyarakat.

Maka, harus ada upaya-upaya strategis untuk mengurangi ketergantungan pada minyak

bumi. Hal ini sudah cukup mendesak mengingat cadangan minyak nasional hanya sampai 18

tahun (lihat tabel) lagi, sementara konsumsi dalam negeri terus meningkat. Diprediksikan

pada tahun 2010, jumlah import BBM akan meningkat menjadi sekitar 60% – 70% dari

kebutuhan BBM dalam negeri. Fakta ini akan menjadikan Indonesia menjadi Pengimpor

BBM terbesar di Asia.

Penggunaan bahan bakar alternatif harus segera dilakukan terutama yang berbentuk

cair, karena masyarakat sudah sangat familiar dengan bahan bakar cair, BBM. Salah satunya

3

adalah Bioetanol. Bioetanol dengan karakteristiknya dapat mensubtitusi bensin. Indonesia

perlu mengembangkan bioetanol karena :

1. Konsumsi energi meningkat

2. Bahan bakar fosil akan habis

3. Devisa (impor bbm)

4. Potensi penggunaan biofuel

5. protokol Kyoto

6. Potensi lahan

7. Potensi sumber daya manusia (petani)

2.1 Ethanol

Ethanol dapat diproduksi melalui fermentasi glukosa. Umumnya biokonversi

glukosa menjadi etanol dilakukan dengan memanfaatkan yeast. Reaksi umumnya adalah

sebagai berikut:

C6H12O6 -> 2CO2 +2C2H5OH + Panas

Pembakaran akan merombak etanol, oksidasi (penambahan oksigen dari udara)

hydrogen menghasilkan uap air (H2O), karbon menjadi karbondioksida (CO2) dan

melepaskan energi.

2.2 Lignoselulosa

Lignoselulosa terutama tersusun atas lignin, selulosa, dan hemiselulosa.

Kandungannya bervariasi tergantung pada jenis dan umur tanaman.

2.2.1 Lignin

Lignin adalah polimer tri-dimensional phenylphropanoid yang dihubungkan

dengan beberapa ikatan berbeda antara karbon-ke-karbon dan beberapa ikatan lain

antara unit phenylprophane yang tidak mudah dihirolisis (33). Di alam lignin

ditemukan sebagai bagian integral dari dinding sel tanaman, terbenam di dalam

polimer matrik dari selulosa dan hemiselulosa. Lignin adalah polimer dari unit

phenylpropene: unit guaiacyl (G) dari prekusor trans-coniferyl-alcohol, syringyl

(S) unit dari trans-sihapyl-alcohol, dan p-hydroxyphenyl (H) unit dari prekursor

trans-p-coumaryl alcohol. Komposisi lignin di alam sangat bervariasi tergantung

4

pada spesies tanaman. Pengelompokan seperti kayu lunak, kayu keras, dan rumput-

rumputan, lignin dapat dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu: guaiacyl lignin

dan guaiacyl-syringyl lignin (Gibbs, 1958 in (34)). Guaiacyl lignin adalah produk

polimerisasi yang didominasi oleh coniferyl alcohol, sedangkan guaiacyl-syringlyl

lignin tersusun atas beberapa bagian dari inti aromatic guaiacyl dan syringyl,

bersama dengan sejumlah kecil unit p-hydroxyphenyl. Kayu lunak terutama

tersusun atas unit guaiacyl, sedangkan kayu keras juga tersusun atas unit syringyl.

Kayu lunak ditemukan lebih resisten untuk didelignifikasi dengan ekstraksi basa

daripada kayu keras (35). Hal ini menimbulkan dugaan bahwa guaiacyl lignin

membatasi pemekaran (swelling) serat dan dengan demikian menghalangi serangan

enzim pada syringyl lignin. Struktur yang lebih resisten dari guaiacyl lignin juga

telah diobservasi di dalam study degradasi dari lignin sintetis oleh fungi perombak

lignin Phanerochaeta chrysosporium (Faix et al., 1985).

Beberapa study lignin terbaru menemukan bahwa terdapat struktur lignin

yang bermacam-macam (36). Lignin seperti terdiri dari daerah amorphous dan

bentuk-bentuk tersturktur seperti partikel tabung dan globul. Ada indikasi pula

bahwa struktur kimia dan tri-dimensional lignin sangat dipengaruhi oleh matrik

polisakarida. Simulasi dinamik menunjukkan bahwa gugus hydroxyl dan methoxyl

di dalam prekusor lignin dan oligomer mungkin berinteraksi dengan mikrofibril

selulosa sejalan dengan fakta bahwa lignin memiliki karakteristik hidrofobik.

Tipe ikatan utama lignin di dalam kayu spruce adalah ikatan (linkage) ether, -

aryl ether adalah yang utama. Sebagaidi mana ikatan arylglycerol- tambahan, unit

phenylpropene diikat oleh ikatan karbon-ke-karbon (37). Grup fungsional yang

mempengaruhi reaktifitas lignin meliputi gugus phenolic hydroxyl bebas,

methoxyl, benzylic hydroxyl, benzyl alcohol, noncyclic benzyl ether dan carbonyl.

Guaiacyl lignin mengandung gugus phenolic hydroxyl daripada syringyl. Skema

struktur dari lignin kayu lunak, termasuk struktur baru dibenzodiaxocin,

diperlihatkan pada Gambar 1.

5

struktur lignin

Gambar 1. Struktur lignin kayu lunak (Brunov, 1998). Gugus struktur dan

fungsional yang umum ditemukan di dalam molekul lignin juga ditampilkan.

Struktur kimia asal lignin mengalami perubahan di bawah kondisi suhu yang

tinggi dan asam, seperti pada pretreatment dengan uap panas. Reaksi pada

temperature tinggi di atas 200oC, lignin terpecah menjadi partikel yang lebih kecil

dan terlepas dari selulosa (38). Penelitian awal pada lignin kayu keras -O-4 aryl

ether terpecah pada saat perlakuanmenunjukkan bahwa ikatan steam-explotion

yang menyebabkan penurunan bobot molekul dan meningkatkan kandungan

phenolic (38).

2.2.2 Selulosa

Selulosa adalah komponen utama yang mencapai 62.9% dari bobot kering

TKKS (6). Selulosa sangat erat berasosiasi dengan hemiselulosa dan lignin. Isolasi

selulosa membutuhkan perlakuan kimia yang intensif (5). Selulosa terdiri dari unit

monomer D-glukosa yang terikat melalui -1-4-glikosidik. Residu glukosa tersusun

dengan posisi 180oikatan antara satu dengan yang lain, dan selanjutnya

pengulangan unit dari rantai selulosa membantuk unit selobiosa (Gambar 2).

Derajat polimerasi(DP) selulosa bervariasi antara 7000 – 15000 unit glukosa,

tergantung pada bahan asalnya

6

(A)

(B)

Gambar 2. Gambar skema selulosa (A) (sumber

http://www.scientificpsychic.com/fitness/carbohydrates.html ) dan model molekul

selulosa (B) (sumber http://www.lsbu.ac.uk/water/hycel.html).

Gugus fungsional dari rantai selulosa adalah gugus hydroxyl. Gugus – OH ini

dapat berinteraksi satu sama lain dengan gugus –O, -N, dan –S, membentuk ikatan

hydrogen. Ikatan –H juga terjadi antara gugus –OH selulosa dengan air. Gugus-OH

selulosa menyebabkan permukaan selulosa menjadi hidrofilik. Rantai selulosa

memiliki gugus-H di kedua ujungnya. Ujung –C1 memiliki sifat pereduksi.

Struktur rantai selulosa distabilkan oleh ikatan hydrogen yang kuat disepanjang

rantai. Di dalam selulosa alami dari tanaman, rantai selulosa diikat bersama-sama

membentuk mikrofibril yang sangat terkristal (highly crystalline) dimana setiap

rantai selulosa diikat bersama-sama dengan ikatan hydrogen. Sebuah kristal

selulosa mengandung sepuluh rantai glukan dengan orientasi pararel. Tujuh kristal

polymorphs telah diidentifikasi , II, IIII,IIIII, IVI danuntuk selulosa, yang

7

dikodekan dengan Iα, I ditemukan melimpahIVII (39). Di alam, kristal selulosa

jenis Iα dan I (41). Sebagai tambahan di dalam area yang sangat terkristal, selulosa

alami mengandung area amorphous yang lebih sedikit.

2.2.3 Hemiselulosa

Hemiselulosa umumnya dikelompokkan berdasarkan residu gula utama

yang menyususun rangkanya, seperti: xylan, mannan, galactan, dan glucan,

dengan xylan dan mannan adalah gugus utama dari hemiselulosa (Gambar 3).

Hemiselulosa umumnya dilaporkan berasosiasi secara kimia atau terikat-silang

dengan polisakarida, protein, atau lignin. Xylan kemungkinan sebagai wilayah

ikatan utama antara lignin dan karbohirat lain. Hemiselulosa lebih mudah larut

daripada selulosa, dan dapat diisolasi dari kayu dengan ekstraksi. Rata-rata

derajat polimerisasi (DP) dari hemiselulosa bervariasi antara 70 dan 200

tergantng pada jenis kayu (34).

Gambar 3. Beberapa gula penyusun hemiselulosa (sumber (15))

Hemiselulosa di dalam kayu keras dan tanaman semusim terutama tersusun

atas xylan (15-30%), sedangkan hemiselulosa kayu lunak tersusun atas

galaktoglukomannan (15 – 20%) dan xylan (7 – 10%). Xylan kayu keras -D-

xylopyranosyl, yang mengandung asamterdiri atas unit 4-O-methyl-α-D-

glucuronic dan gugus samping acetil. Asam 4-O-methyl-α- 2) glycosidicD-

glucuronic diikat ke rangka xylan melalui ikatan O-(1 dan asam asetik

diesterifikasi pada gugus karbon 2 dan/atau 3 hydroxyl. Rasio molar antara xylosa

: asam glukoronat : residu acetil adalah antara 10:1:7. Xylan kayu lunak adalah

8

arabino-4-O-methylglucuronoxylan, di mana tidak terasetilasi, tetapi rangka

xylan disubstitusi pada karbon 2 dan 3 secara berurutan dengan asam 4-O-

methyl-α-D-glucuronic dan residu α-L-arabinofuranosyl (35).

Galaktoglukomannan -D-glucopyranosyl dan-1-4 unit kayu lunak

memiliki rangka ikatan- -D-mannopyranosyl, yang sebagian disubstitusi oleh α-

D-galactopyranosyl dan gugus asetil (39). Terdapat dua macam

galaktoglukomanan: fraksi larut air dan alkali, dengan rasio

mannose:glukosa:galaktosa:residu asetil 3:1:1:0.24 untuk faksi larut air, dan

3:1:0.1:0.24 untuk fraksi larut alkali (Timell, 1967 in (34)).

2.3 Potensi Bioethanol dari Biomassa Lignoselulosa

Limbah lignoselulosa memiliki potensi besar sebagai bahan baku bioethanol.

Sebagai contoh dari 1 ha sawah dapat diproduksi sebesar 766 hingga 1.148 liter

bioethanol. Jika harga ethanol sekarang adalah Rp. 5.500,- maka nilainya adalah Rp.

4,210 juta hingga Rp. 6,316 juta. Jumlah yang tidak sedikit.

2.3.1 Ethanol dari Jerami Padi

Jerami padi mengandung kurang lebih 39% sellulosa dan 27,5% hemiselullosa.

Kedua bahan polysakarida ini dapat dihidrolisis menjadi gula sederhana yang

selanjutnya dapat difermentasi menjadi ethanol. Potensi produksi jerami padi per ha

kurang lebih 10 – 15 ton, jerami basah dengan kadar air kurang lebih 60%. Jika

seluruh jerami per ha ini diolah menjadi ethanol (fuel grade ethanol), maka potensi

9

produksinya kurang lebih 766 hingga 1,148 liter/ha FGE (perhitungan ada di

lampiran). Dengan asumsi harga ethanol fuel grade sekarang adalah Rp. 5500,-

(harga dari pertamina), maka nilai

ekonominya kurang lebih Rp.

4,210,765 hingga 6,316,148 /ha.

Menurut data BPS tahun 2006,

luas sawah di Indonesia adalah 11.9

juta ha. Artinya, potensi jerami

padinya kurang lebih adalah 119 juta

ton. Apabila seluruh jerami ini diolah menjadi ethanol maka akan diperoleh sekitar

9,1 milyar liter ethanol (FGE) dengan nilai ekonomi Rp. 50,1 trilyun. Jika dihitung-

hitung ethanol dari jerami sudah cukup untuk memenuhi kebutuhan bensin nasional.

2.3.2 Ethanol dari Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)

Kandungan selulosa

dan hemiselullosa dari TKKS

kurang lebih adalah 45% dan

26%. Sama seperti jerami

padi, kedua polysakarida ini

dapat dihidrolysis menjadi

gula sederhana dan

selanjutnya difermentasi menjadi ethanol. Sebuah pabrik kelapa sawit (PKS) dengan

kapasitas 60 ton/jam dapat menghasilkan limbah kira-kira 100 ton/hari. Produksi

limbah dapat meningkat atau berkurang tergantung pada TBS (Tandan Buah Segar)

yang diolah. Jika seluruh TKKS ini diolah menjadi ethanol (fuel grade ethanol)

maka potensinya diperkirakan sebesar 8,254 liter/hari. Nilai ekonominya kurang

lebih Rp. 45,395,335 /hari.

2.3.3 Ethanol dari Corn Stover

Corn Stover terdiri dari daun dan

batang dari jagung (Zea mays ssp. Mays L.)

Tanaman dibiarkan dalam lapangan setelah

10

panen dan terdiri dari residu: tangkai, daun, sekam, dan tongkol yang tersisa di

lapangan setelah panen sereal gandum. Stover dibiarkan sekitar setengah dari masa

panen tanaman. Stover corn ini mirip dengan jerami. Corn stover biasanya

merupakan produk pertanian di daerah-daerah yang mempunyai jumlah produksi

jagung yang besar. Selain itu, stover juga mengandung gulma dan rumput lain non-

butir bagian dari panen jagung.

Table Komposisi Corn Stover

Komponen % berat kering

Selulosa / glucan 37.4

Xylan 21.1

Lignin 18.0

Protein 3.1

2.3.4 Ethanol dari Kayu

Membuat ethanol dengan tanpa

menghasilkan karbon dioksida yang terlepas di

udara dan menambah efek pemanasan global kini

berhasil dikembangkan oleh ZeaChem, sebuah

perusahaan yang baru saja berdiri dan berbasis di

11

Menlo Park, California. Sejenis bakteri yang juga membantu rayap untuk mencerna

kayu, digunakan dalam proses pembuatan ethnaol yang menggunakan kayu sebagai

bahan bakunya. Proses yang melibatkan bakteri tersebut mampu memproduksi 50%

lebih ethanol dari jumlah biomassa yang digunakan dibandingkan dengan yang bisa

dilakukan pada proses konvensional. Perusahaan tersebut telah melakukan

serangkaian uji coba dan saat ini sedang berencana untuk membuat sebuah pabrik

ethanol yang bisa menghasilkan 2 juta galon per tahun. Pembangunan mulai berjalan

pada awal tahun ini. Prosesnya sama dengan metode konvensional, dimulai dengan

proses mengurai biomassa menjadi gula. Pada titik ini, proses konvensional

menggunakan ragi untuk mem-fermentasi gula menjadi ethanol. Tetapi proses ini

mengakibatkan 1/3 dari karbon dioksida di dalam gula dilepaskan ke udara.

ZeaChem menggantikan ragi dengan sejenis bakteri yang disebut Moorella

thermoacetica, yang bisa ditemukan di sejumlah tempat di alam, termasuk di dalam

sistem pencernaan rayap dan sapi. Bakteri tersebut membantu mengurai kayu yang

menjadi bahan pangan bagi kedua binatang tersebut. Dengan menggunakan

Moorella thermoacetica, gula diubah menjadi semacam cuka yang disebut asam

asetat dan tanpa melepaskan karbon dioksida sedikitpun ke udara. Selanjutnya

ZeaChem menggunakan proses kimia untuk mengubah asam asetat tersebut menjadi

ethanol. Asam asetat pada tahap awal diubah menjadi ethyl asetat, kemudian

langkah berikutnya mengubah ethyl asetat menjadi ethanol yang memerlukan

penambahan energi dari luar. Hidrogen yang digunakan sebagai sumber energi

tersebut didapatkan dari sisa-sisa proses pengubahan biomassa menjadi gula. Bahan

yang dikenal dengan lignin bisa diubah menjadi gas yang kaya hidrogen dengan

memanaskan pada kondisi yang sesuai, sebuah proses yang dikenal dengan

gasifikasi. Hidrogen yang dihasilkan kemudian dikombinasi dengan ethyl asetat

untuk membuat ethanol. Gas yang tersisa kemudian diumpankan kembali ke dalam

proses. Sejauh ini perusahaan tersebut telah menunjukkan hasil 40% lebih baik

dibandingkan dengan pendekatan konvensional, dan saat ini sedang menuju

perbaikan sebesar 50%. Meski proses yang digunakan oleh ZeaChem lebih rumit

daripada metode yang saat ini banyak digunakan, dan membangun pabrik ethanol

yang menggunakan metode tersebut juga akan membutuhkan biaya yang lebih

banyak, tetapi hasil yang didapatkan juga sepadan dengan biaya yang dikeluarkan.

12

2.3.5 Sumber Limbah Lignoselulosa yang Lain

Indonesia kaya akan biomassa lignoselulosa. Contoh di atas adalah sebagian

kecil dari potensi biomassa lignoselulosa yang ada di Indonesia. Masih banyak

sumber biomassa yang lain. Sumber-sumber yang cukup besar antara lain: sampah

organik kota, limbah industri kayu, limbah industri pulp/kertas, dan limbah-limbah

agroindustri yang lain.

Tentunya setiap limbah memiliki karakteristik sendiri-sendiri yang

menentukan bagaimana teknologi biokonversi yang tepat. Namun, pada prinsipnya

setiap limbah organik lignoselulosa secara teoritis dapat diubah menjadi ethanol.

Sekali lagi, potensi yang besar ini akan tetap menjadi potensi di atas kertas saja.

Diperlukan upaya yang besar untuk mewujudkannya menjadi kenyataan. Peneliti,

pemerintah, pengusaha, dan masyarakat secara bergotong-royong bisa

mewujudkannya.

2.4 Kandungan Lignoselulosa dan Potensi Etanol yang dapat Dihasilkan

Komponen selulosa yang bisa dirombak menjadi etanol adalah hasil hidrolisis

selulosa dan hemiselulosa. Data-data di bawah ini dikumpulkan dari beberapa sumber.

Potensi produksi etanol dihitung dengan metode yang disampaikan oleh Badger (2002).

Kalau ada yang punya data lebih baik dan lebih akurat silahkan dikoreksi.

BiomassaKlason

Lignin (%)

Selulosa

(%)

Hemiselulosa

(%)

Ethanol (L

ethanol/kg

biomassa)

Referensi

Rice straw 21 38 25 0.19Taniguchi et al

(2005)

Oil palm empty

fruit bunches10 50.4 21.9 0.23

Umikalsom et

al (1997)

Hardwoods stems 18 40 24 0.20Sun and Cheng

(2002)

Softwoods stems 25 45 25 0.22Sun and Cheng

(2002)

Nut Shells 30 25 25 0.15 Sun and Cheng

13

(2002)

Corn cobs 15 45 35 0.24Sun and Cheng

(2002)

Grasses 10 25 35 0.18Sun and Cheng

(2002)

Paper 0 85 0 0.28Sun and Cheng

(2002)

Wheat straw 15 30 50 0.23Sun and Cheng

(2002)

Sorted refuse 20 60 20 0.25Sun and Cheng

(2002)

Leaves 0 15 80 0.26Sun and Cheng

(2002)

Cotton seed hairs 0 80 5 0.28Sun and Cheng

(2002)

Newspaper 18 40 25 0.20Sun and Cheng

(2002)

Waste papers from

chemical pulps5 60 10 0.23

Sun and Cheng

(2002)

Primary

wastewater solids24 8 0 0.03

Sun and Cheng

(2002)

Swine waste 0 6 28 0.09Sun and Cheng

(2002)

Solid cattle manure 2.7 1.6 1.4 0.01Sun and Cheng

(2002)

Coastal Bermuda

Grass6.4 25 35.7 0.18

Sun and Cheng

(2002)

Switch grass 12 45 31.4 0.23Sun and Cheng

(2002)

Baggase 24.05 42.64 25.4 0.21 Bransby (2007)

2.5 Enzim Dan Mikroba Yang Berperan

1. Enzim

14

Dalam pembuatan bioetanol berbahan Lignoselulosa yang mengandung selulosa

hemiselulosa, dan lignin dibutuhkan dua macam enzim, yaitu enzim selulase dan

hemiselulase. Selulase berperan dalam proses pemisahan lignin dari komponen utama

dan untuk hidrolisis selulosa. Sedangkan hemiselulase berfungsi untuk menghidrolisis

hemiselulosa.

a. Selulase

Selulase adalah enzim yang dapat mendegradasi selulosa (polisakarida dari

bentukan glukosa). Pada Umumnya selulase mendegradasi selulosa yang memiliki

rantai yang lebih pendek dari komponen kayu (selulosa, lignin, ekstraktif dan

mineral). Berdasarkan penelitian dapat dibuktikan bahwa enzim selulase dapat

meningkatkan fibrilasi karena fines (serat halus) yang komponen utamanya

hemiselulosa dapat terdegradasi sehingga dapat dicapai derajat giling yang

dikehendaki dengan waktu giling yang lebih cepat akibat penambahan enzim

selulase.

b. Hemiselulase

Hemiselulase adalah suatu istilah kolektif untuk suatu kelompok enzim yang dapat

memecah hemiselulosa. Hemiselulosa merupakan komponen dinding sel di dalam

tumbuhan. Mereka tidak bisa dicerna oleh manusia dan terbilang kasar. Di dalam

gandum, hemiselulosa ditemukan dengan proporsi yang tinggi yaitu, 2 - 12 persen

yang juga dikenal sebagai fibrils.

2. Mikroba

Untuk menghasilkan enzim-enzim yang dibutuhkan, digunakan berbagai macam

mikroba yang dapat berjenis fungi atau bakteri.

Sebagai sumber penghasil enzim selulase adalah sebagai berikut.

- Fungi : Trichodorma viride, Humicola, Acremonium, Volvariella Sp,

Lentinus

edodes, Pleurotus Sp, Basidiomycetes, Thermoactinomycos Sp

- Bakteri : Clostridium thermocellum, Thermophilic sporocytophaga.

a. Trichodorma viride

15

Trichodorma viride merupakan jamur cellulolytic yang tumbuh pada suhu 25-

30°C dalam media cornmeal dextrose agar (CMD), potato dextrose agar (PDA).

Fungi ini tumbuh dengan cepat pada media sederhana dengan pH 5.0 - 2.5, begitu

mengurangi menurunkan suatu pencemaran minimum dari mikroba lainnya .

b. Humicola

Humicola adalah fungi yang biasa tumbuh pada tanah humus. Humicola

ditemukan di Michigan, Idaho, Tennessee, dan Washington.

c. Acremonium

Acremonium pada umumnya tumbuh lambat dan pada awalnya lembab. Jenisnya

yaitu Acremonium hyphae, Acremonium hyaline.

d. Volvariella Sp

Jenisnya adalah V. volvacea, V. esculenta, dan V. diplasia. Volvariella Sp. biasa

tumbuh pada jerami

e. Lentinus edodes

Jamur Lentinus edodes telah dikembangbiakkan selama berabad-abad di Negeri

China dan Jepang untuk kepentingan komersial. L. edodes mempunyai potensi

untuk bioconversion residu lignified ke dalam fungal protein.

f. Pleurotus Species

Jenisnya yaitu P. ostreatus, P. sajorcaju, P. florida, P. cornucopiae, dll. Fungi ini

biasa disebut " White-Rot" jamur. Pleurotus Sp mampu menguraikan/memisahkan

lignin dan polysaccharides pada kayu. P. cornucopiae tumbuh secara komersial di

Jepang, tetapi tidak satupun dari jenis tumbuh di negara-negara barat. P. ostreatus

dan P. florida mempunyai temperatur optimal sekitar 30 C. Semua dapat ditanami

pada campuran serbuk gergaji dan butir, dan pupuk.

g. Basidiomycetes

Contohnya Phanerochaeta chrysosporium. P. chrysosporium dapat menghasilkan

jumlah spora berlimpah. Tumbuh dengan cepat pada 35 - 40 C, tetapi juga baik

pada 25 C, dan memerlukan nutrisi yang cukup sederhana.

h. Thermoactinomycos Species

Thermoactinomyces sp. bersifat thermopilik, cellulolytic. Tumbuh di area tropik

dengan cepat pada 55 ke 65°C di bawah kondisi-kondisi aerobic pada berbagai

material yang mengandung kanji dan cellulosic yang lebih bahan gizi sederhana

lain.

i. Clostridium thermocellum

16

Clostridium thermocellum merupakan bakteri anaerob. Clostridium thermocellum

mempunyai kebutuhan gizi sederhana dan tumbuh pada suhu di atas 50 C.

j. Thermophilic Sporocytophaga

Thermophilic Sporocytophaga tumbuh pada media dengan suhu 55 – 650C.

Mikroba ini bermanfaat untuk produksi massa sel, ethanol, asam cuka, dan laktat

dari bahan kimia untuk cat/kertas.

k. Saccharomyces cerrevisae

Saccharomyces cerrevisae berfungsi untuk fermentasi glukosa.

Proses fermentasi lignoselulosa

Lignoselulosa secara umum mengandung selulosa, hemiselulosa, dan lignin.

Selulosa dan hemiselulosa dapat diekstaksi dan ditransformasi (dengan menggunakan

proses hidrolisis) menjadi gula kemudian mengalami proses fermentasi (dengan

menggunakan proses fermentasi glukosa/pentosa) sehingga terbentuk etanol.

Beberapa spesies mikroba dari kelompok yeast/khamir, bakteri dan fungi dapat

memfermentasi karbohidrat menjadi ethanol dalam kondisi bebas oksigen .Mikroba

melakukan fermentasi tersebut untuk mendapatkan energi dan untuk tumbuh.

Berdasarkan reaksi kimia fermentasi, hasil maksimum teoritis dari setiap kg gula adalah

0.51 kg ethanol dan 0.49 kg CO2:

3C5H10O5 –> 5C2H5OH + 5CO2 (1)

C6H12O6 –> 2C2H5OH + 2CO2 (2)

Metode fermentasi untuk gula C6 telah diketahui dengan baik sejak paling tidak 6000

tahun yang lalu, ketika orang-orang Sumeria, Babylonia, dan Mesir mulai membuat bir

dari nira. Mikroba yang sangat umum dimanfaatkan dalam proses fermentasi adalah

ragi roti (Saccharomyces cereviseae) dan Zymomonas mobilis.

Saccharomyces cereviseae memiliki banyak keunggulan antara lain adalah mampu

memproduksi ethanol dari gula C6 (heksosa), toleran terhadap konsentrasi ethanol yang

tinggi dan toleran terhadap senyawa inhibitor yang terdapat di dalam hidrolisat

biomassa lignoselulosa. Namun demikian, strain liar dari S. cerevieae tidak dapat

17

memfermentasi gula C5 (pentose) seperti: xylosa, arabinosa, celloligosaccharides,

menjadi salah satu kendala pemanfaatannya. Beberapa yeast diketahui dapat

memfermentasi xylosa seperti: Pichia stipitis, Candida shehata, dan Candida

parapsilosis , Kluyveromyces marxianus ,dapat memetabolisme xylosa melalui kerja

xylose reductase untuk merubah xylosa menjadi xylitol, dan xylitol dehydrogenase

(XDH) untuk merubah xylitol menjadi xylulose. Beberapa bakteri seperti : Klebsiella

planticola, Thermoanaerobacter mathranii, dilaporkan dapat memfermentasi xylosa

dan glukosa menjadi ethanol. Beberapa upaya rekayasa genetika juga telah dilakukan

untuk membuat S. cereviseae yang dapat memfermentasi xylosa dan glukosa. Beberapa

fungi juga dilaporkan dapat memfermentasi xylosa menjadi ethanol, yaitu: Mucor

indicus dan Rhizopus oryzae

18

Produk Bioetanol dan Analisisnya

Produk bioetanol yang dihasilkan dengan menggunakan bahan baku

lignoselulosa melalui proses fermentasi dan sebagainya bersifat ramah lingkungan dan

mempunyai titik nyala tiga kali lebih tinggi dibandingkan bensin. Bioetanol yang dibuat

dengan menggunakan energy biomassa ini dapat memperkecil resiko rumah kaca,

19

karena emisi gas karbon yang dihasilkan rendah. Hal tersebut dapat dilihat dari grafik

dibawah ini :

Perbandingan Emisi Bahan Pencemar dari Campuran Bio-Ethanol dan Premium :

Karakteristik bioetanol yang dihasilkan hampir sama dengan bioetanol yang dihasilkan

dari bahan baku yang lain, seperti dari tetes tebu. Namun potensi etanol yang dihasilkan

dari bahan baku biomassa ini tinggi karena ketersediaannya yang melimpah terutama di

Indonesia.

Biomassa lignoselulosa sebagian besar terdiri dari campuran polymer karbohidrat

(selulosa dan hemiselulosa), lignin, ekstraktif, dan abu. Selulosa dan hemiselulosa

20

dapat di ekstraksi dan di hidrolisis menjadi gula kemudian difermentasi menjadi etanol.

Produk lignin dapat digunakan untuk penhasil panas dan energy.

Dapat dilihat dari bagan diatas selain produk etanol yang dihasilkan dari bahan baku

lignoselulosa tetapi juga menghasilkan hasil samping arabionse, asam asetat, dan

phernolic.

Keuntungan Lignoselulosa sebagai Bahan Baku Pembuatan Bioetanol

Ethanol sebagai bahan bakar alternatif belakangan ini menjadi salah satu pilihan

favorit sebagai pengganti bahan bakar minyak (bensin). Seperti yang telah kita ketahui

bersama, Indonesia kaya akan biomassa, apapun itu bentuknya. Oleh karena itu,

pemanfaatan biomassa sebagai sumber energi sangat potensial untuk dikembangkan.

Indonesia memiliki keunggulan dalam hal biomassa lignoselulosa dibandingkan

negara-negara beriklim dingin. Kalau mereka mencari bahan baku, di sini malah

kebalikannya. Biomassa lignoselulosa di Indonesia, melimpah, murah, tapi juga banyak

yang disia-siakan. Ada banyak potensi biomassa lignoselulosa di Indonesia. Bioetanol

adalah sebuah bahan bakar alternatif yang diolah dari tumbuhan, dimana memiliki

keunggulan mampu menurunkan emisi CO2 hingga 18 %. Di Indonesia, minyak

bioethanol sangat potensial untuk diolah dan dikembangkan karena bahan bakunya

merupakan jenis tanaman yang banyak tumbuh di negara ini dan sangat dikenal

masyarakat. Tumbuhan yang potensial untuk menghasilkan bioetanol adalah tanaman

21

yang memiliki kadar karbohidrat tinggi, seperti: tebu, nira, sorgum, ubi kayu, garut, ubi

jalar, sagu, jagung, jerami, bonggol jagung, dan kayu.

Banyaknya variasi tumbuhan yang tersedia memungkinkan kita lebih leluasa

memilih jenis yang sesuai dengan kondisi tanah yang ada. Sebagai contoh ubi kayu dapat

tumbuh di tanah yang kurang subur, memiliki daya tahan yang tinggi terhadap penyakit

dan dapat diatur waktu panennya. Namun kadar patinya yang hanya 30 persen, masih

lebih rendah dibandingkan dengan jagung (70 persen) dan tebu (55 persen) sehingga

bioetanol yang dihasilkan jumlahnya pun lebih sedikit.

Biaya produksi bioetanol tergolong murah karena sumber bahan bakunya

merupakan limbah pertanian atau produk pertanian yang nilai ekonomisnya rendah serta

berasal dari hasil pertanian budidaya tanaman pekarangan (hortikultura) yang dapat

diambil dengan mudah. Dilihat dari proses produksinya juga relatif sederhana dan murah.

Pemanfaatan Limbah Bioetanol

Limbah dari proses produksi pun dapat dimanfaatkan sebagai bahan campuran

pembuatan pupuk organik. Karena berasal dari biomasa, limbah bioetanol baik cair

maupun padat mengandung bahan organik yang dibutuhkan tanaman, mengandung unsur

makro dan mikro yang diperlukan tanaman.

a. Limbah Cair

Untuk membuat pupuk, 4 liter limbah cair dicampur dengan 1 liter larutan

mineral, 1 kg ampas tebu yang sudah menjadi abu, dan 2 sak alias 100 kg pupuk

kandang. Pupuk kandang asal kotoran ternak adalah sumber nitrogen, unsur makro

yang paling dibutuhkan tanaman. Limbah bioetanol yang mengandung enzim alfa-

amilase berperan mengurai protein dalam kotoran ternak menjadi zat organik yang

bisa diserap tanaman. Untuk memperkaya hara, ditambahkan larutan mineral terdiri

dari unsur mikro seperti magnesium, besi, mangan, dan boron.

Sedangkan abu ampas tebu mengandung karbon aktif penghambat

pertumbuhan cendawan yang kerap menyerang akar tanaman. 'Karbon aktif

menyerap aflatoksin yang dihasilkan cendawan sehingga cendawan tidak

berkembang. Seluruh bahan itu lantas diaduk sampai rata dengan pengaduk

22

berkekuatan 2 PK alias 1500 watt. Dengan itu, semua bahan tercampur sempurna

sehingga bisa langsung ditaburkan di lahan. Sebaiknya pupuk didiamkan semalam

dan ditutup plastik agar enzim bekerja sempurna.

Pengaruh pupuk organik dengan campuran limbah singkong. Dibanding

Canavalia ensiformis yang hanya dipupuk dengan pupuk kandang biasa,

produktivitas kacang kara pedang Made Satria lebih tinggi. Setiap tanaman

menghasilkan 10-15 polong, dengan pupuk kandang saja, 5 polong.

Manfaat lain jika pupuk itu dipakai pada penanaman bunga potong dan jagung.

Jagung yang ditanam di lahan 2 ha maksimal hanya 1% yang terserang cendawan

akar rigidoporus dan sclerotium. Padahal biasanya serangan cendawan akar jagung

mencapai 20%. Pada bunga potong, pertumbuhan krisan dan sedap malam lebih

cepat 15-20%. Pemakaian pupuk limbah bioetanol pun hemat, hanya 10% dosis

pupuk kandang murni.

b. Limbah Padat

Sementara limbah padat bioetanol dicampur dengan bekatul dan pupuk

kandang digunakan sebagai pakan ternak sapi. Hasil penelitian di Laboratorium Ilmu

Tanah Fakultas Pertanian Universitas Brawijaya, Malang, limbah padat kaya

kandungan karbohidrat, glukosa, dan serat. Total kalori yang dihasilkan lebih tinggi

dibanding onggok ampas tapioka, yang sama-sama dihasilkan dari singkong dan

bungkil kedelai. Ragi untuk fermentasi kaya protein. Fermentasi juga membuat

protein singkong lebih mudah diubah menjadi daging, Makanya total kalorinya lebih

tinggi. Maklum, meski pakan utamanya tanaman hijau, asupan karbohidrat dan

glukosa pada sapi membuat pertambahan bobot lebih cepat. Itu lantaran keduanya

lebih mudah dikonversi menjadi daging ketimbang selulosa-kandungan utama pakan

hijauan. Makanya begitu pakan mengandung limbah padat bioetanol diberikan pada 3

sapi peranakan ongole, bobotnya naik 10% dari 240 kg. Tak melulu sapi, limbah

padat bioetanol bisa menjadi alternatif konsentrat buatan pabrik untuk kerbau,

kambing, dan ayam.

23

24