PERKEMBANGAN BIOETANOLG2penerbit.lipi.go.id/data/naskah1573012692.pdf · Gambar 4.5 Klasifikasi Proses Perlakuan Awal yang Umum Digunakan pada Proses Pembuatan Bioetanol G2

PERKEMBANGAN

Teknologi dan Perspektif

G2:BIOETANOL

Yanni SudiyaniSyahrul Aiman

Dieni Mansur

Editor:

Dilarang mereproduksi atau memperbanyak seluruh atau sebagian dari buku ini dalam bentuk atau cara apa pun tanpa izin tertulis dari penerbit.

© Hak cipta dilindungi oleh Undang-Undang No. 28 Tahun 2014

All Rights Reserved

LIPI Press

PERKEMBANGAN

Teknologi dan Perspektif

G2:BIOETANOL

Yanni SudiyaniSyahrul Aiman

Dieni Mansur

Editor:

© 2019 Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)Pusat Penelitian Kimia (P2 Kimia)

Katalog dalam Terbitan (KDT)Perkembangan Bioetanol G2: Teknologi dan Perspektif/Yanni Sudiyani, Syahrul Aiman, dan Dieni Mansur (Ed)−Jakarta: LIPI Press, 2019.

xxiv +328 hlm.; 17,6 x 25 cm

ISBN 978-602-496-070-4 (cetak) 978-602-496-071-1 (e-book)

1. Bioetanol 2. Biomassa 3. Bahan Bakar Nabati

662.88Copy Editor : Tantrina Dwi AprianitaProofreader : Noviastuti Putri Indrasari dan Sonny Heru K.Penata isi : Erna Rumbiati dan Meita SafitriDesainer Sampul : Rusli FaziKeterangan Sampul : Pilot plant bioetanol G2 Pusat Penelitian Kimia LIPI

(kapasitas 10 L/hari)

Cetakan Pertama : September 2019

Diterbitkan oleh:LIPI Press, anggota IkapiGedung PDDI LIPI, Lantai 6Jln. Jend. Gatot Subroto 10, Jakarta 12710 Telp.: (021) 573 3465e-mail: [email protected] website: lipipress.lipi.go.id

LIPI Press @lipi_press

v

Daftar Isi

Daftar Gambar .................................................................................................. viiDaftar Tabel.........................................................................................................xiPengantar Penerbit ......................................................................................... xviiKata Pengantar ................................................................................................ xixPrakata ........................................................................................................... xxiii

Bioetanol sebagai Energi Alternatif Bahan Bakar Yanni Sudiyani .................................................................................................................................................................................................1

Perkembangan dan Produksi Bioetanol sebagai Bahan Bakar Yanni Sudiyani, Eka Triwahyuni, Dian Burhani, Muryanto, dan Syahrul Aiman .............................................................................................................................................................................................11

Biomassa Lignoselulosa dan Potensinya sebagai Bahan Baku Bioetanol Generasi Dua Muryanto, Eka Triwahyuni, dan Yanni Sudiyani.................................................................................47

Proses Perlakuan Awal Bioetanol Generasi Dua Feni Amriani, Sabar Pangihutan Simanungkalit, Muryanto, dan Haznan Abimanyu ..............................................................................................................................................................................75

Hidrolisis-Fermentasi Bioetanol Generasi Dua Dian Burhani, Eka Triwahyuni, Deliana Dahnum, dan Yanni Sudiyani ......117

vi

Proses Gasifikasi - Fermentasi Gas Sintesis untuk Produksi Bioetanol Dieni Mansur, Sabar Pangihutan Simanungkalit, dan Syahrul Aiman .....157

Teknologi Proses Pemisahan dan Pemurnian Bioetanol Generasi Dua Joddy Arya Laksmono, Joko Waluyo, dan Yan Irawan ...................................................187

Pemanfaatan Sisa Proses Produksi Bioetanol Generasi Dua Ajeng Arum Sari, Ary Mauliva Hada Puteri, Dieni Mansur, Dian Burhani, dan Muryanto ..........................................................................................................................................................217

Perkembangan Tekno-Ekonomi dan Kebijakan Penggunaan Bioetanol sebagai Bahan Bakar pada Tataran Global Syahrul Aiman, Muryanto, dan Eka Triwahyuni ............................................................................255

Bioetanol Generasi Dua sebagai Bahan Bakar Dieni Mansur dan Syahrul Aiman ....................................................................................................................299

Indeks .............................................................................................................. 309Daftar Singkatan ........................................................................................... 315Biografi Penulis ............................................................................................. 319

vii

Daftar Gambar

Gambar 2.1 Rumus Bangun Bioetanol ..................................................... 13Gambar 2.2 Pengelompokan Tanaman Sumber Bahan Baku

Bioetanol G1 ........................................................................... 23Gambar 2.3 Bagan Proses Pembuatan Bioetanol Generasi Satu .......... 25Gambar 3.1 Rumus Bangun Struktur Molekul Selulosa ...................... 48Gambar 3.2 Beberapa Gula Penyusun Hemiselulosa ............................. 50Gambar 3.3 Gugus Struktur dan Fungsional Lignin Kayu Lunak (a)

dan Kayu Keras (b) .............................................................. 51Gambar 3.4 Limbah Pertanian ................................................................... 57Gambar 3.5 Limbah Perkebunan ............................................................... 61Gambar 3.6 Diagram Analisis pada Proses Pembuatan Bioetanol G2 64Gambar 3.7 SEM TKS Sebelum (a) dan Sesudah Perlakuan Awal

Kimia 10% NaOH (b) .......................................................... 66Gambar 4.1 Perbedaan Teknologi Produksi Bioetanol Generasi Satu

dan Dua .................................................................................. 76Gambar 4.2 Representasi Gambaran Perlakuan Awal Biomassa

Lignoselulosa ......................................................................... 77Gambar 4.3 Lignin-selulosa-hemiselulosa dan beberapa senyawa

turunannya berpotensi menjadi zat inhibitor dalam produksi bioetanol. ................................................................ 79

Gambar 4.4 Interkonversi Berbagai Bentuk Selulosa ............................. 80

viii

Gambar 4.5 Klasifikasi Proses Perlakuan Awal yang Umum Digunakan pada Proses Pembuatan Bioetanol G2 .......... 81

Gambar 4.6. Pilot Plant Bioetanol G2 di Pusat Penelitian Kimia LIPI, Serpong, Banten dengan Kapasitas 10 L/hari Fuel Grade 96

Gambar 5.1 Skema Proses Konsolidasi Bioproses Lignoselulosa Menjadi Etanol ....................................................................... 139

Gambar 5.2 Tandan Kosong Sawit keluar dari pabrik CPO (a), Fiber TKS (b), TKS ukuran 30-40 mesh, kadar air 10% (c) ............................................................................. 141

Gambar 5.3 Hasil proses fermentasi menggunakan substrat TKS pada konsentrasi 20% dan temperatur 32oC. .................... 142

Gambar 5.4 Metode SHF (a) dan SSF (b) dalam proses konversi TKS menjadi bioetanol ......................................................... 144

Gambar 5.5 Foto Proses Sakarifikasi dan Fermentasi Skala Laboratorium ......................................................................... 147

Gambar 5.6 Foto fermentor hidrolisis volume 300 L (a), proses penambahan enzim ke dalam fermentor pilot plant PP Kimia-LIPI (b). ..................................................................... 148

Gambar 6.1 Skema Proses Konversi Biomassa Lignoselulosa Menjadi Bioetanol .................................................................................. 158

Gambar 6.2 Skema Pembuatan Bioetanol dari Gas Sintesis. ................ 166Gambar 6.3 Jalur Reaksi Wood-Ljungdahl untuk Produksi Etanol

dan Asam Asetat .................................................................... 167Gambar 7.1 Diagram Alir Proses Distilasi Azeotropik untuk

Dehidrasi Bioetanol .............................................................. 193Gambar 7.2 Diagram Alir Proses Ektraktif-Distilasi, (C1) Kolom

Ekstraktif-Distilasi, (C2) Kolom Recovery Pelarut ........... 195Gambar 7.3 Diagram Alir Unit Distilasi dan Dehidrasi Pemurnian

Bioetanol G2 Skala Pilot di Pusat Penelitian Kimia LIPI ........................................................................................... 206

Gambar 7.4 Diagram Alir Proses Dehidrasi Etanol Menggunakan Teknologi PSA ........................................................................ 210

Gambar 8.1 Proses Pengolahan dan Pemanfaatan Limbah Bioetanol Menjadi Kimia Adi ................................................................ 219

Gambar 8.2 Skema Proses Produksi Bioetanol dan Limbah yang Dihasilkannya ......................................................................... 220

Gambar 8.3 Skema Reaktor Autoklaf di Pusat Penelitian Kimia LIPI ........................................................................................... 238

ix

Gambar 8.4 Diagram Proses Pirolisis Menggunakan Fixed Bed Reactor ................................................................................... 240

Gambar 9.1 Kerja sama berbagai negara dalam penelitian dan pengembangan bioetanol G2 ............................................... 266

Gambar 9.2 Perbandingan Perkembangan Harga Minyak Dunia dan Jumlah Paten Bioetanol G2 .......................................... 270

Gambar 9.3 Harga Bioetanol dari Jagung di Pasar Amerika Serikat dalam 10 Tahun Terakhir ..................................................... 279

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Perbandingan Sifat Fisik dan Kimia Etanol dengan Gasolin ...........................................................................................15

Tabel 2.2 Produsen Kendaraan yang Menyetujui Penggunaan E15 .....17Tabel 2.3 Perbandingan Sifat Etanol, BBM, dan E10 ..............................18Tabel 2.4 Penggunaan Bioetanol Bahan Bakar Dunia Tahun 2012–

2017 (juta liter) .............................................................................19Tabel 2.5 Penggunaan Etanol Bahan Bakar dari Negara ASEAN (juta

liter) ................................................................................................20Tabel 2.6 Komposisi Biokimia Makroalga dan Mikroalga (% berat

kering) ............................................................................................29Tabel 2.7 Perbandingan Perolehan Bioetanol dari Berbagai Sumber

Biomass ..........................................................................................30Tabel 2.8 Perbandingan Perolehan Bioetanol dari Berbagai Sumber

Mikroalga.......................................................................................33Tabel 2.9 Contoh Perkembangan Modifikasi Genetika Tanaman untuk

Bahan Ba ku Pembuatan Etanol .................................................36Tabel 3.1 Komposisi Kandungan Abu pada Beberapa Biomassa

Lignoselulosa .................................................................................53Tabel 3.2 Perolehan Bioetanol dari Glukosa dan Silosa ........................55Tabel 3.3 Kandungan Selulosa dan Hemiselulosa Limbah Pertanian

dan Perkebunan ............................................................................61

xii

Tabel 3.4 Potensi Bioetanol dari Limbah Biomassa Lignoselulosa di Indonesia .......................................................................................62

Tabel 3.5 Syarat Mutu Bioetanol untuk Campuran BBM ......................63Tabel 3.6 Metode Analisis Kimia pada Tahapan Proses Bioetanol

Generasi Dua ................................................................................67Tabel 4.1 Beberapa Metode beserta Tujuan Perlakuan Awal ...............104Tabel 5.1 Kelebihan dan Kekurangan pada Hidrolisis Asam Pekat

dan Asam Encer .........................................................................120Tabel 5.2 Penelitian Hidrolisis Lignoselulosa Menggunakan Asam

Encer ............................................................................................121Tabel 5.3 Beberapa Jenis Ragi, Kondisi Fermentasi dan Etanol yang

Dihasilkan ....................................................................................130Tabel 5.4 Substrat Silosa dan Perolehan Bioetanol yang Dihasilkan 132Tabel 5.5 Jenis Perlakuan Awal, Metode Sakarifikasi, dan Gula

yang Dihasilkan dari Berbagai Jenis Bahan Baku ..............135Tabel 5.6 Metode Hidrolisis, Kondisi Fermentasi, dan Bioetanol

yang Dihasilkan dari Berbagai Jenis Bahan Baku ..............136Tabel 5.7 Beberapa Penelitian yang Dilakukan Menggunakan Metode

Sakarifikasi dan Ko-Fermentasi Serentak ..............................138Tabel 5.8 Etanol yang Dihasilkan dengan Menggunakan Metode

Konsolidasi Bio proses dari Berbagai Substrat dan Mikrob .........................................................................................139

Tabel 5.9 Yield Etanol pada Berbagai Kondisi Proses SHF dan SSF dengan Bahan Baku TKS ..........................................................144

Tabel 5.10 Perbandingan Perolehan Etanol dengan Menggunakan Metode SHF dan SSF dengan Bahan Baku TKS ..................145

Tabel 5.11 Perbandingan Konsentrasi dan Perolehan Etanol Berdasarkan Variasi Substrate loading ...................................146

Tabel 6.1 Kelompok Katalis untuk Reaksi Gas Sintesis menjadi Etanol ...........................................................................................159

Tabel 6.2 Perkembangan Fasilitas Penelitian dan Produksi Etanol dari Biomassa Lignoselulosa melalui Proses Gasifikasi .......160

Tabel 6.3 Stoikiometri Reaksi Produksi Etanol dan Asam Asetat dari Gas Sintesis dan Perubahan Energi Bebas Gibbs pada 298 K dan 100 kPa .........................................................168

Tabel 6.4 Pengolahan Berbagai Gas dalam Proses Fermentasi Menggunakan Mikrob C. Autoethanogenum .......................169

Tabel 6.5 Komponen dan Biaya Media Standar Ekstrak Ragi (Yeast Extract = YE) ..............................................................................171

xiii

Tabel 6.6 Komponen Larutan Mineral ....................................................171Tabel 6.7 Perbandingan Yield Etanol dengan Menggunakan Berbagai

Jenis Strain Bakteri pada Proses Fermentasi Gas Sintesis ..175Tabel 6.8 Produk yang Terbentuk dari Fermentasi Gas Sintesis

Menggunakan Reaktor TBR Semi-Kontinu Dibandingkan Reaktor Berpengaduk (Stirred Tank) ......................................178

Tabel 6.9 Perbandingan Hasil Analisis Tekno-Ekonomi dari Tiga Kelompok Proses Pembuatan Etanol dari Biomassa Lignoselulosa .............................................................................180

Tabel 7.1 Klasifikasi Adsorben Komersial dan Baru .............................199Tabel 7.2 Karakteristik Zeolit Komersial .................................................203Tabel 7.3 Sifat-Sifat dari Adsorben Polimer Komersial .......................205Tabel 7.4 Spesifikasi Pilot Plant pada Proses Dehidrasi Bioetanol

Menggunakan Saringan Molekuler ........................................207Tabel 7.5 Beberapa Metode pada Proses Adsorpsi-Desorpsi .............209Tabel 8.1 Karakteristik Air Limbah Proses Pembuatan Bioetanol

dari TKS ......................................................................................220Tabel 8.2 Karakteristik Lindi Hitam Pilot Plant Bioetanol P2 Kimia

LIPI .............................................................................................222Tabel 8.3 Hasil Optimasi Koagulasi dan Flokulasi Lindi Hitam ........224Tabel 8.4 Efisiensi Pengolahan Air Limbah Lindi Hitam secara

Terintegrasi ..................................................................................227Tabel 8.5 Hasil Analisis Komponen Lumpur Lindi Hitam ..................229Tabel 8.6 Adsorpsi Polutan oleh Adsorben dari Lumpur Lindi

Hitam ...........................................................................................230Tabel 8.7 Pembuatan Adsorben/Karbon Aktif dari Limbah

Biomassa ......................................................................................231Tabel 8.8 Komposisi Kandungan Unsur Anorganik dalam Abu yang

Dihasilkan dari pH= 1 dan pH=12 ........................................233Tabel 8.9 Karakteristik Abu, Elemen, Protein, dan Lignin pada Lindi

Hitam, Lignin Murni pH=2, dan Lignin Murni pH 5 ......235Tabel 8.10 Kandungan Endapan Lindi Hitam ..........................................237Tabel 8.11 Kandungan Bubuk Lindi Hitam ..............................................240Tabel 8.12 Kandungan Lumpur Endapan Limbah Distilasi Bioetanol

G2 dari TKS ..............................................................................245Tabel 9.1 Rencana Penggunaan Etanol dalam Campuran BBM .........258Tabel 9.2 Contoh Penelitian Biomassa Lignoselulosa sebagai Bahan

Baku Bioetanol G2 di Indonesia .............................................261

xiv

Tabel 9.3 Publikasi Ilmiah Bioetanol G2 dari Berbagai Perguruan Tinggi dan Lembaga Litbang pada Periode 2008–2015 ......264

Tabel 9.4 Area dan Bidang Penelitian Terbanyak yang Dikerja samakan antara Negara .............................................................267

Tabel 9.5 Negara Penghasil Publikasi Ilmiah Terbanyak Terkait Bioetanol G2 ...............................................................................268

Tabel 9.6 Pilot Plant Bioetanol G2 di Beberapa Negara ......................272Tabel 9.7 Demo Plant Bioetanol G2 di Berbagai Negara .....................273Tabel 9.8 Industri Komersial Bioetanol G2 di Berbagai Negara .........275Tabel 9.9 Perbandingan Komponen Biaya Produksi Bioetanol G1

dan G2 .........................................................................................280Tabel 9.10 Gambaran MESP untuk Komponen Produksi Bioetanol

G2 dari Tiga Buah Industri di AS, Brasil, dan Uni Eropa 281Tabel 9.11 Pengaruh Lokasi Produksi Enzim Terhadap Porsi Biaya

Enzim pada Pro duksi Bioetanol G2 .......................................282Tabel 9.12 Kebijakan dan Penggunaan Etanol sebagai Substitusi

BBM di Beberapa Negara .........................................................285Tabel 10.1 NEB Beberapa Biomassa ...........................................................305

xv

Didedikasikan kepada sejawat penulis Bapak Dr. Syahrul Aiman dan kepada semua pembaca buku ini

xvii

Pengantar penerbit

Sebagai penerbit ilmiah, LIPI Press mempunyai tanggung jawab untuk menyediakan terbitan ilmiah yang berkualitas. Upaya terse-but merupakan salah satu perwujudan tugas LIPI Press untuk ikut serta dalam mencerdaskan kehidupan bangsa sebagaimana yang diamanatkan dalam pembukaan UUD 1945.

Bunga rampai ini merupakan hasil karya peneliti kelompok energi biomassa dan lingkungan Pusat Penelitian Kimia LIPI. Buku ini disusun berdasarkan penelaahan atas sejarah dan berbagai proses pembuatan bioetanol untuk bahan bakar serta pengalaman peneliti LIPI dalam upaya menghasilkan teknologi pembuatan bioetanol sebagai bahan bakar dari bahan alam di Indonesia.

Semoga buku ini dapat memberikan sumbangan pemikiran pada berbagai pihak yang terkait maupun yang tertarik untuk me ngembangkan bioetanol sebagai bahan bakar alternatif di dalam negeri. Selain itu, diharapkan buku ini dapat memberikan gambaran pada kalangan industri, pemangku kepentingan serta

masyarakat umum tentang pesatnya perkembangan pembuatan bioetanol dari biomassa lignoselulosa di berbagai negara.

Akhir kata, kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu proses penerbitan buku ini.

LIPI Press

xix

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, dengan memanjatkan puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, saya menyambut baik diterbitkannya

buku Perkembangan Bioetanol G2: Teknologi dan Perspektif ini. Buku yang disusun berdasarkan penelaahan sejarah, berbagai proses pembuatan bioetanol untuk bahan bakar, dan pengalaman para peneliti LIPI dalam upaya menghasilkan teknologi pembuat-an bioetanol sebagai bahan bakar dari bahan alam Indonesia. Ketersediaan bahan baku bioetanol berupa limbah lignoselulosa yang melimpah di Indonesia merupakan sumber potensial dalam memproduksi bioetanol generasi dua (G2). Peningkatan nilai keekonomian produksi bioetanol G2 tidak dapat berdiri sendiri. Berbagai usaha dapat dilakukan, misalnya pengolahan sisa proses menjadi produk yang mempunyai nilai tambah, pengembangan teknologi alternatif (seperti fermentasi gas sintesis dalam produksi bioetanol), dan kerja sama dengan berbagai negara dalam bidang bioetanol. Sebagaimana pada industri pengilangan, bahan bakar selalu diproduksi secara bersamaan dengan produk lainnya. Seba-

xx

gai contoh, pengilangan kerosin, solar, atau avtur juga dilakukan bersamaan dengan produk lainnya, yaitu aspal.

Sumber energi merupakan hal pokok dalam pembangunan suatu bangsa. Pencarian berbagai sumber energi alternatif demi menggantikan peran minyak bumi untuk keperluan transportasi ataupun untuk keperluan lainnya menjadi investasi penting yang menunjang pembangunan bangsa pada masa depan. Selain itu, disadari pula bahwa pencarian akan sumber energi yang lebih bersih telah menjadi tanggung jawab semua bangsa saat ini.

Bioetanol merupakan salah satu bahan bakar terbarukan yang saat ini sudah dimanfaatkan di berbagai negara, termasuk Indonesia, untuk mengurangi ketergantungan pada sumber energi fosil, terutama bahan bakar minyak (BBM). Lebih dari 30 negara telah menggunakan etanol sebagai bahan pencampur BBM, mulai dari campuran 5% sampai 25% atau lebih. Selama ini bioetanol dibuat dari bahan pangan, seperti jagung, ubi kayu, atau bahan lain yang mengan dung pati. Ada pula yang dibuat dari bahan yang mengandun g gula, seperti nira, gula bit, ataupun tetes tebu. Ini menyebabkan kompetisi penggunaan komoditas tersebut antara sebagai bahan pangan atau sebagai bahan energi. Hal inilah yang menjadi penghambat peningkatan produksi bioetanol secara besar-besaran di Indonesia. Pencarian bahan baku lain—yang tidak berkompetisi dengan bahan pangan—dan mengandung lignoselulosa, misalnya yang berasal dari sisa pengolahan hasil pertanian, perkebunan dan sampah organik padat kota, menjadi perhatian berbagai lembaga riset di dunia. Masalahnya, teknologi pengolahan bahan-bahan tersebut lebih kompleks dibandingkan pengolahan menggunakan bahan baku pati atau gula. LIPI telah mengeksplorasi berbagai kemungkinan bahan baku yang berasal dari limbah lignoselulosa untuk produksi bioetanol. Beberapa di antaranya telah dan sedang dikaji pada skala pilot. Walaupun tidak

xxi

mudah, peluang dan tantangan terus dihadapi bersama agar target nasional penggunaan bioetanol sebagai campuran bahan bakar dapat tercapai.

Kami berharap buku ini dapat memberikan sumbangan pemikiran bagi berbagai pihak terkait dan yang tertarik untuk mengembangkan bioetanol sebagai bahan bakar alternatif di dalam negeri. Semoga buku ini dapat memberikan gambaran untuk kalangan industri dan masyarakat umum mengenai pesatnya perkembangan pembuatan bioetanol dari biomassa lignoselulosa di berbagai negara.

Jakarta, Agustus 2019

Dr. Laksana Tri HandokoKepala Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia

xxiii

Prakata

Assalamu’alaikum Wr.Wb.Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah Swt. atas limpah-

an rahmat dan hidayah-Nya, buku Perkembangan Bioetanol G2: Teknologi dan Perspektif ini dapat terbit ke hadapan para pembaca.

Buku yang merupakan karya peneliti kelompok energi bio-massa dan lingkungan Pusat Penelitian Kimia LIPI ini terbagi ke dalam sepuluh bab. Bab pertama membahas bioetanol sebagai alternatif bahan bakar. Bab kedua menceritakan sejarah perkem-bangan bioetanol dari generasi satu sampai generasi empat. Bahan baku dan karakterisasi pada proses pembuatan bioetanol generasi dua dibahas pada bab ketiga. Bahasan bab keempat hingga bab keenam difokuskan pada teknologi proses pembuatan bioetanol, yang terdiri atas teknologi proses perlakuan awal, teknologi hidrolisi s, enzim selulase, dan proses fermentasi. Bab ketujuh membahas teknologi pemisahan dan pemurnian bioetanol dari 10% menjadi bioetanol fuel grade yang memerlukan kombinasi teknologi pemisahan dan pemurnian yang andal dan ekonomis.

xxiv

Pemanfaatan sisa proses produksi bioetanol generasi dua, dihasil-kan produk turunan karbon adsorben, lignin, senyawa fenol, flame retardant, glutation, dan senyawa kimia lainnya akan dibahas pada bab kedelapan. Bab selanjutnya atau bab kesembilan berfokus pada perkembangan teknoekonomi dan kebijakan penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar pada tataran global serta kerja sama berbagai negara dalam bidang bioetanol. Data terkait perkembangan kerja sama dari berbagai negara diambil dari terbitan Springer dengan izin resmi, dan data lainnya berasal dari open source. Bab kesepuluh atau bab terakhir membahas prospek bioetanol generasi dua sebagai bahan bakar.

Semoga buku ini dapat menjadi rujukan yang bermanfaat dalam menumbuhkembangkan wawasan, kesadaran, sekaligus mendorong tumbuhnya peran serta masyarakat dalam pemanfaatan bahan bakar nabati sebagai energi alternatif. Kami berharap buku ini mendapat tanggapan yang baik dari para pembacanya sehingga memberikan sumbangan ke arah pembangunan yang lebih baik dan berkelanjutan.

Kami mengucapkan terima kasih kepada para penulis atas usaha dan ketekunannya dalam menerbitkan buku ini. Semoga Allah Swt. berkenan membalas budi baik Anda semua.

Wassalamu’alaikum Wr. Wb.Tangerang Selatan, Agustus 2019

Tim Editor

1

1

A. Alasan Bioetanol Sebagai Bahan BakarSaat ini Indonesia mempunyai tantangan besar untuk mening-katkan kemandirian di bidang energi dalam rangka mendukung pembangunan yang berkelanjutan. Selama ini, sistem penyediaan energi nasional berorientasi pada penggunaan energi fosil, sedang-kan pemanfaatan energi nonfosil/energi baru terbarukan (EBT) masih sangat rendah. Pembakaran bahan bakar fosil memberikan kontribusi langsung terhadap peningkatan emisi gas rumah kaca yang merusak lingkungan. Menurut laporan US EPA tahun 2000, lebih dari 90% gas rumah kaca dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil. Selain menghasilkan gas CO2, pembakaran bahan bakar fosil juga menghasilkan polutan lainnya, sepert i nitrogen oksida, sulfur oksida, dan logam berat. Masalah ini mengindikasikan bahaya besar bagi kehidupan jika umat manusia terus bergantung pada energi fosil. Selain itu, sumber energi yang berasal dari fosil semakin menipis dan diramalkan akan habis dalam beberapa dekade. Cadangan minyak bumi nasional per

BIOETANOL SEBAGAI ENERGI Alternatif Bahan Bakar

Yanni Sudiyani

Perkembangan Bioetanol G2: ...2

1 Januari 2015 mengalami penurunan 1,2% dibandingkan tahun sebelumnya. Jumlah cadangan potensial minyak bumi pada 2015 sebesar 3,70 miliar barel, sedangkan cadangan terbukti sebesar 3,60 miliar barel (Sekretariat Jenderal Dewan Energi Nasional, 2016). Kondisi ini memperburuk keamanan pasokan bahan bakar dalam negeri. Indonesia harus mengejar energi alternatif untuk menda-patkan pengganti bahan bakar fosil yang terus menipis, kesehatan lingkungan, keamanan energi, dan ekonomi pertanian.

Dalam rangka mengurangi bahan bakar fosil, Pemerintah Indonesia memberikan perhatian serius terkait pengembangan dan pemanfaatan biofuel atau bahan bakar nabati (BBN) sebagai bahan bakar alternatif dari sumber terbarukan. Hal ini diwujudkan melalui terbitnya Peraturan Pemerintah No. 22 Tahun 2017 tentang Rencana Umum Energi Nasional (RUEN). Kebijakan tersebut men-jelaskan proyeksi kebutuhan energi nasional pada 2025 yang mana kontribusi minyak bumi dalam bauran energi nasional maksimal sebesar 25% dan konsumsi energi baru terbarukan (EBT) sebesar 23%. Biofuel adalah salah satu EBT yang berasal dari hasil pengo-lahan biomassa. Biofuel juga sering disebut energi hijau karena asal usul dan emisinya yang ramah lingkungan dan tidak menyebabkan pemanasan global secara signifikan. Biofuel yang umum digunakan saat ini adalah biodiesel dan bioetanol.

Berbagai penelitian telah dilakukan dalam mengembangkan teknologi biomassa untuk produksi BBN, misalnya teknologi proses perlakuan awal biomassa lignoselulosa untuk produksi bioetanol; teknologi hidrolisis enzimatis untuk menghasilkan gula selulosa dan teknologi fermentasi yang memberikan yield alkohol tinggi dengan proses fermentasi yang lebih cepat dan murah. Contoh penelitian pengembangan proses sakarifikasi dan fermentasi dilakukan secara serentak (SSF). Teknologi pengolahan biomassa diyakini memiliki dampak positif yang signifikan terhadap aspek

Bioetanol sebagai Energi ... 3

sosial dan ling kungan (Lynd, Cushman, Nichols, & Wyman, 1991; Wyman, 1994). Penggunaan etanol sebagai bahan bakar pada mesin pembakaran akan meningkatkan efisiensi mesin, serta menurunkan kadar emisi emisi CO2. Hal ini merupakan dua nilai tambah yang sangat berkontribusi positif terhadap lingkungan hidup.

Sebagai bahan bakar, bioetanol memiliki beberapa kelebihan dibandingkan bahan bakar minyak (BBM). Pertama, bahan bakar ini memiliki bilangan oktan yang lebih tinggi (106–110) daripada bensin (91–96) sehingga dapat digunakan sebagai campuran untuk meningkatkan performa bensin (Nigam & Singh, 2011). Kedua, penggunaan bioetanol akan meningkatkan efisiensi pembakaran dan mengurangi emisi polutan berupa oksida nitrogen dan sulfur karena memiliki kadar oksigen yang lebih tinggi (34%) dan kadar sulfur yang jauh lebih rendah (0%) dibandingkan bensin (Woods, 2008).

Sebagai alternatif pengganti bahan bakar fosil, bioetanol telah diproduksi dalam jumlah cukup besar oleh berbagai negara yang berkomitmen mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil, misalnya Amerika Serikat, Brasil, Kanada, China, dan beberapa negara Uni Eropa (Zabed, Sahu, Suely, Boyce, & Faruq, 2017). Jumlah produksi bioetanol dunia terus meningkat dari 13 miliar barel pada 2007 menjadi 25 miliar barel pada 2015.

Di Indonesia, bioetanol umumnya menggunakan bahan baku pati, singkong, atau bahan yang mengandung gula yang disebut bioetanol generasi satu (G1). Sejak 2010, produksi bioetanol tidak lagi sesuai harapan. Hal ini karena faktor bahan baku yang berkom-petisi dengan bahan pangan dan karena faktor harga yang kurang menarik. Sementara itu, biomassa lignoselulosa tersedia cukup melimpah, dan biasanya berasal dari limbah pertanian, perkebunan dan kehutanan, atau limbah industri. Komponen utama dalam ba-han berlignoselulosa terdiri atas selulosa, hemiselulosa, dan lignin


yang jumlahnya bervariasi tergantung sumber bahannya. Baik selulosa maupun hemiselulosa dapat dikonversi menjadi etanol, atau biasa disebut bioetanol generasi dua (G2) (Sudiyani, 2014).

Indonesia sebagai negara dengan keanekaragaman hayati terbesar di dunia, memiliki potensi biomassa yang sangat me-limpah. Sumber biomassa tersebar di seluruh wilayah Indonesia, dan potensi terbesar terdapat di Pulau Kalimantan, Sumatra, Papua, dan Sulawesi. Limbah lignoselulosa dari sektor pertanian/perkebunan yang banyak terdapat di Indonesia adalah jerami padi, sekam, bagas tebu, tongkol jagung, tandan kosong kelapa sawit, dan pelepah kelapa sawit. Meskipun jenis limbah biomassa yang dapat digunakan sebagai sumber bahan baku bioetanol G2 sangat banyak, pemilihan bahan baku bioetanol harus memperhatikan beberapa aspek teknis ekonomi, seperti komposisi kimia biomassa, proses budi daya, penggunaan sumber daya, (terutama energi), biaya bahan baku (termasuk biaya logistik dan penyimpanan bio-massa), dan penciptaan atau pemertahanan lapangan kerja. Selain itu, pemilihan bahan baku bioetanol juga harus memperhatikan aspek lingkungan, seperti emisi gas rumah kaca serta penyerapan mineral dan air tanah (Balat & Balat, 2009). Melihat potensi bahan baku yang melimpah, Indonesia selayaknya dapat memfokuskan pada pengembangan BBN. Oleh sebab itu, buku ini disiapkan untuk membantu pembaca mendapatkan informasi penting terkait teknologi pengolahan bioetanol G2 sebagai bahan bakar.

Pengembangan produksi bioetanol G2 menjadi perhatian dunia terkait penggunaan biomassa lignoselulosa yang tidak ber-kompetisi dengan bahan pangan dan pakan. Pemanfaatan bahan baku ini mengurangi kekhawatiran persaingan penggunaan bahan baku pangan untuk produksi sumber energi. Besaran limbah ligno selulosa di Indonesia yang dapat dijadikan sebagai bahan baku untuk produksi bioetanol akan dibahas lengkap pada Bab 3.


B. Teknologi Produksi Bioetanol G2Teknologi produksi bioetanol G2 untuk keperluan bahan bakar sebagai substitusi BBM menjadi perhatian produsen di banyak negara. Hal itu juga menjadi topik kerja sama lembaga riset dan perguruan tinggi antarnegara. Pembahasan lebih jauh dijelaskan pada Bab 9.

Secara garis besar, produksi bioetanol G2 dikelompokkan men-jadi empat tahapan proses. Tahap pertama adalah proses perlakuan awal (pretreatment) dengan tujuan delignifikasi dan dekristalisasi. Tahap kedua adalah proses hidrolisis/sakarifikasi untuk meng-hasilkan gula monomer C6 dan C5. Tahap ketiga adalah proses fermentasi gula menjadi etanol menggunakan mikrob. Tahapan keempat adalah proses pemurnian melalui distilasi dan dehidrasi.

Biomassa lignoselulosa memiliki struktur kristal selulosa yang kuat, selulosa terbungkus lignin dan bersama hemiselulosa mem bentuk suatu kompleks dengan ikatan yang kuat sehingga sulit untuk dihidrolisis (Menon & Rao, 2012). Struktur kuat ini menye babkan perlakuan awal (pretreatment) harus dilakukan untuk mem peroleh bahan baku yang akan diolah selanjutnya. Lignin dan hemiselulosa merupakan penghalang sehingga selulosa sulit diakses oleh enzim selulase. Perlakuan awal merupakan tahap yang dianggap paling sulit dan mahal dalam proses konversi biomassa selulosa menjadi gula (Mosier dkk., 2005). Perlakuan awal tidak da pat diaplikasikan secara umum karena setiap bahan lignoselulosa dari jenis tanaman yang berbeda memiliki sifat fisik dan kimia yang berbeda maka memerlukan perlakuan awal yang berbeda. Secara kon ven sional, perlakuan awal dapat dilakukan dengan proses bio logi, kimia, fisika atau termal, dan setiap proses mempunyai keunggul an dan kele mahan yang akan dijelaskan pada Bab 4. Proses per la kuan awal yang baik dapat mengurangi penggunaan enzim yang harganya mahal (Wyman dkk., 2005). Setelah pretreatment,


akan dihasilkan selulosa dan hemiselulosa dan selanjutnya dilaku-kan proses sakarifikasi dan fermentasi.

Sakarifikasi atau hidrolisis adalah proses pemecahan polisa-karida menjadi monomer gula yang dapat dilakukan secara kimia ataupun enzimatis. Pada tahap konversi selulosa menjadi gula atau hidrolisis hemiselulosa menjadi silosa, diperlukan enzim selulase kompleks dalam jumlah besar. Namun, kelemahannya adalah harga enzim yang cukup mahal. Oleh karena itu, tersedianya enzim selu-lase yang lebih murah dan lebih aktif dari Trichoderma merupakan tantangan saat ini. Cardona dan Sanchez (2007) menyatakan bahwa tahap sakarifikasi atau hidrolisis menjadi tantangan utama dalam konversi biomassa lignoselulosa menjadi etanol.

Pada masa mendatang, para peneliti akan lebih ambisius men cari tahu bagaimana cara memproduksi enzim, kemudian me ngon versi glukosa dan silosa menjadi etanol secara bersamaan dalam satu waktu dan satu tempat. Tantangan baru tersebut datang dalam wujud konsolidasi bioproses (CBP). Pada akhirnya, semua metode sakarifkasi dan fermentasi memiliki satu tujuan, yakni men dapatkan etanol dalam perolehan yang besar dengan biaya produksi yang efisien dan tentu saja dalam waktu yang singkat.

C. Peluang dan TantanganBioetanol sebagai bahan bakar nabati (BBN) menjadi komoditas energi yang strategis karena bisa menyubsitusi BBM dalam semua pasarnya dewasa ini. Penggunaan etanol sebagai bahan bakar di Indonesia dan di dunia akan terus mengalami peningkatan karena beberapa hal. Pertama, cadangan minyak bumi semakin menipis se-hingga perlu upaya mencari sumber pengganti. Kedua, berlakunya peraturan reduksi emisi gas rumah kaca, yaitu clean air Act 1990 di Amerika Serikat dan Kyoto Protokol serta penghapusan metil tersier butil eter (MBTE) untuk mereformulasi bensin di AS dan beberapa negara lain. Ketiga, adanya kecenderungan beralihnya konsumsi pada sumber energi ramah lingkungan dan terbarukan.


Kebutuhan bioetanol G2 di Eropa diperkirakan akan mening-kat menjadi 75 miliar liter pada 2025. Sementara itu, kebutuhan di Amerika Serikat diperkirakan meningkat dari 3 miliar galon pada 2015 menjadi 10,5 miliar galon pada 2020. Brasil dan China adalah negara pionir yang akan memproduksi BBN dari sumber nonpangan secara komersial. Gambaran target keekonomian produksi bioetanol dan di berbagai negara dijelaskan pada Bab 9.

Indonesia mempunyai potensi sumber bahan baku cukup besar untuk memproduksi bioetanol G2 dari limbah lignoselulosa, yakni sebesar 15,81 juta ton lignoselulosa (Bab 3). Apabila direalisasikan, jumlah tersebut mampu memenuhi kebutuhan etanol Indonesia berdasarkan kebutuhan energi Nasional 2006–2025, seperti yang tercantum dalam cetak biru dan peta jalan pengembangan BBN Indonesia, yakni sebesar 4,99 juta ton pada 2025 (Sudiyani, Sembirin g, Barlianti, Badria, & Muryanto, 2014). Namun, ada beberapa tantangan dalam memanfaatkan limbah lignoselulosa sebagai bahan baku bioetanol. Pertama, proses pengolahan yang lebih kompleks dan lebih mahal dibandingkan dengan bahan baku gula atau pati. Kedua, lokasi limbah lignoselulosa yang tersebar dan jauh dari pusat pembangunan infrastruktur sehingga sangat memengaruhi harga pendistribusiannya.

Untuk menghadapi tantangan tersebut, realisasi produksi bioetanol G2 harus dilakukan secara terintegrasi dengan kon-sep kilang hayati (biorefinery). Dengan menggunakan konsep biorefinery dalam proses produksi bioetanol, akan didapatkan produk bioetanol sebagai bahan bakar dan produk turunan yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Selain itu, integrasi proses sistem terpadu dapat menurunkan biaya secara signifikan de-ngan melakukan kerja sama antara pemilik pabrik bioetanol dan pemilik teknologi enzim membuat pabrik bioetanol dengan lokasi dekat sumber bahan baku (Rarbach, 2017).


Selama proses konversi biomassa menjadi bioetanol, harus dipertimbangkan juga cara pemanfaatan limbah, baik limbah pengolahan awal, sakarifikasi, maupun limbah fermentasi. Limbah tersebut dapat diolah menjadi produk turunan yang mempunyai nilai ekonomi tinggi, seperti bahan kimia adi. Pemanfaatan limbah seperti ini perlu dilakukan mengingat limbah yang dihasilkan ber jumlah besar, dan bila tidak dimanfaatkan, akan mencemari lingkungan. Selain itu, limbah jika dimanfaatkan juga akan lebih menguntungkan dari sisi lingkungan dan ekonomi karena dapat mengurangi potensi pencemaran dan memperbesar nilai tambah dari produk yang dihasilkan. Dalam Bab 8 dijelaskan cara perolehan dan pengolahan sisa proses produksi bioetanol G2 berupa lindi hitam dan sisa proses fermentasi-distilasi. Pemanfaatan sisa proses atau limbah menjadi kimia adi berupa karbon aktif, senyawa fenol, lignin, flame retardant (senyawa penghambat nyala api), glutation, dan kimia adi lainnya telah dipatenkan.

D. KesimpulanIndonesia memiliki potensi kekayaan alam yang besar sehingga mampu memproduksi BBN jauh lebih besar daripada kebutuhan domestik. Sementara itu, permasalahan energi nasional jangka pen-dek dan jangka panjang adalah menyiapkan sumber energi alternatif selain BBM untuk memenuhi kebutuhan masyarakat, trans portasi, dan industri. Oleh karena itu, langkah kebijakan pe ngem bangan EBT yang tertuang dalam Perpres No.5 Tahun 2006 adalah pengem-bangan BBN, termasuk bioetanol. Semua itu dilakukan untuk mencapai sasaran tahun 2025, yakni dikuasainya teknologi proses, engineering design, dan pembangunan high/ superior-performance BBN bioetanol dengan bahan baku limbah lignoselulosa. Teknologi pengolahan biomassa dengan kon sep bio-refinery dapat mengatasi permasalahan keterbatasan bahan tak terbarukan dan menciptakan teknologi konversi limbah lignoselulosa menjadi etanol dan kimia


adi sebagai produk turunan yang bernilai bagi kehidupan manu-sia. Namun, masih diperlukan banyak riset dan pengembangan agar dapat menghasilkan teknologi konversi biomassa yang lebih efisien dan optimal demi terwujudnya sistem produksi etanol yang ekonomis. Rintangan-rintangan kebijakan harga, kebijakan pengindustrian, kebijakan teknologi, dan kebijakan pengembangan sumber daya yang menghambat pengembangan industri BBN yang tangguh di negeri ini, harus segera kita tanggulangi bersama.

Buku ini disiapkan untuk membantu pembaca mendapatkan informasi penting, khususnya yang berkaitan dengan bioetanol G2 sebagai bahan bakar. Potensi limbah biomassa lignoselulosa, teori dan teknologi produksi, pemanfaatan atau penggunaan kembali limbah yang dihasilkan pada setiap tahapan proses, juga hasil pe-nelitian tim di Pusat Penelitian Kimia LIPI dari skala laboratorium hingga skala pilot dibahas dalam buku ini.

Daftar Pustaka Balat, M., & Balat, H. (2009). Recent trends in global production and

utilization of bio-ethanol fuel. Applied Energy, 86(11), 2273–2282. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.03.015.

Cardona, C. A., & Sanchez, O. J. (2007). Fuel ethanol production: Process design trends and integration opportunities, Bioresources Technology, 98(12), 2415–2457. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.01.002.

Lynd, L. R., Cushman, J. H., Nichols, R. J., & Wyman, C. (1991). Fuel etanol from cellulosic biomass ethanol as a fuel. Science, 251, 1318–1323.

Menon, V., & Rao, M. (2012). Trends in bioconversion of lignocellulose: Biofuels, platform chemicals & biorefinary concept. Progress in Energy and Combustion Science, 38(4), 522–550. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2012.02.002.

Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y. Y., Holtzapple, M., & Ladisch, M. (2005). Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 96(6), 673–686. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.06.025.


Nigam, P. S., & Singh, A. (2011). Production of liquid biofuels from renewable resources. Progress in Energy and Combustion Science, 37(1), 52–68. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2010.01.003.

Pickett, J., Anderson, D., Bowles, D., Bridgwater, T., Jarvis, P., Mortimer, N., & Woods, J. (2008). Sustainable biofuels: prospects and challenges. London, UK: The Royal Society.

Rarbach, M. (2017). Process integrated enzyme production: The cost-efficient way to commercially viable 2G cellulosic ethanol. Retrieved March 28, 2018, from https://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2017/01/23/process-integrated-enzyme-production-the-cost-efficient-way-to-commercially-viable-2g-cellulosic-ethanol/.

Sekretariat Jenderal Dewan Energi Nasional. (2016). Outlook Energi Indonesia 2016.

Sudiyani, Y., Sembiring, C. K., Barlianti, V., Badria, I., Muryanto, M. (2014). The opportunity of bioethanol production from lignocellulosic agricultural waste in Indonesia. Dalam A renewable source of energy. Bioenergy of the Series “Energy & Technology” Vol 7. India: Studium Press LCC.

Sudiyani, Y. (2014). Pengembangan teknologi pengolahan biomassa limbah lignoselulosa untuk pembuatan bioetanol generasi ke dua. Buku Orasi Pengukuhan Profesor Riset. Jakarta: LIPI Press.

Wyman. (1994). Ethanol from lignocellulosic biomass: Technology, economics, and opportunities. Bioresource Technology, 50(1), 3–15. https://doi.org/10.1016/0960-8524(94)90214-3.

Wyman, C. E., Dale, B. E., Elander, R. T., Holtzapple, M., Ladisch, M. R., & Lee, Y. Y. (2005). Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies. Bioresource Technology, 96(18 SPEC. ISS.), 1959–1966. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.01.010.

Zabed, H., Sahu, J. N., Suely, A., Boyce, A. N., & Faruq, G. (2017). Bioethanol production from renewable sources: Current perspectives and technological progress. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 71(October 2015), 475–501. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.076.

11

A. Sejarah dan Perkembangan Bioetanol sebagai Bahan Bakar Alternatif

Etanol merupakan senyawa kimia yang banyak fungsinya dalam kehidupan sehari-hari, misalnya dipakai sebagai pelarut dalam industri farmasi, makanan, dan minuman. Etanol dapat dihasilkan melalui proses kimiawi atau biologi. Etanol yang dibuat melalui proses fermentasi disebut bioetanol. Sampai saat ini, bioetanol banyak diproduksi dari bahan baku tanaman yang mengandung pati atau yang mengandung gula, tetapi penggunaan bahan baku ini menimbulkan persaingan antara pemanfaatan komoditas ini untuk pangan dan untuk sumber energi. Jika sebagai sumber energi, komoditas tersebut harus melalui proses konversi (secara fisika, kimia, atau biologi) menjadi etanol, yang selanjutnya digunakan sebagai substitusi bahan bakar bensin. Biomassa lignoselulosa yang berasal dari tanaman ketersediaannya cukup melimpah, terutama sebagai limbah pertanian, perkebunan dan kehutanan sehingga dapat dikonversi menjadi sumber energi melalui proses konversi.

2PERKEMBANGAN DAN PRODUKSI BIOETANOL

SEBAGAI BAHAN BAKARYanni Sudiyani, Eka Triwahyuni, Dian

Burhani, Muryanto, dan Syahrul Aiman


Namun, konversi biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol ini harus berhadapan dengan kendala teknis dan ekonomi. Oleh karena itu, perlu dilakukan banyak riset dan pengembangan agar dapat menghasilkan teknologi konversi biomassa yang efisien dan ekonomis.

Pada dekade terakhir ini, pendekatan yang banyak digunakan adalah pengembangan industri bioetanol sistem terpadu. Selain menghasilkan bioetanol, sistem ini juga mempertimbangkan pe-man faatan potensi limbah proses (limbah pengolahan awal dan limbah fermentasi), menjadi produk turunan (co-product), misal nya bahan kimia adi, lignin, protein sel tunggal, pangan, pakan, dan pupuk organik. Sistem terpadu ini perlu mendapat perhatian karena limbah yang dihasilkan jumlahnya besar dan akan mencemari lingkungan jika dibiarkan saja. Pemanfaatan limbah (sisa proses) membuat kegiatan industri secara keseluruhan menjadi lebih me ngun tungkan dari sisi lingkungan dan sisi ekonomi karena mengu rangi potensi pencemaran dan memperbesar nilai tambah (added value) produk yang dihasilkan. Pembahasan lengkap dijelas-kan pada Bab 6 .

1. Sejarah BioetanolBioetanol telah digunakan manusia sejak zaman prasejarah sebagai bahan minuman beralkohol. Dalam perkembangannya, campuran bioetanol yang mendekati kemurnian ditemukan oleh kimiawan muslim yang mengembangkan proses distilasi pada masa Kalifah Abbasid, dengan peneliti terkenal Jabir Ibn Hayyan (Geber), Al-Kindi (Alkindus), dan al-Razi (Rhazes) ("Science in Islam," 2002). Etanol sebagai bahan bakar diketahui melalui catatan Jabir Ibn Hayyan (721–815 M) yang menyebutkan bahwa uap wine yang mendidih itu mudah terbakar. Sementara itu, Al-Kindi (801–873 M) menjelaskan proses distilasi wine (Forbes, 1971). Bioetanol

Perkembangan dan Produksi ... 13

absolut baru didapatkan pada 1796 oleh Johann Tobias Lowitz yang menggunakan distilasi saringan arang (Gupta, 2010).

Bioetanol pertama kali dibuat secara sintetis pada 1829 di Inggris oleh Henry Hennel dan S.G. Serullas di Prancis (Demirbas, 2009). Pada 1828, Michael Faraday membuat etanol dengan hidrasi etilen menggunakan katalis asam. Proses inilah yang kemudian digunakan dalam produksi etanol sintetis hingga saat ini (Gupta, 2010). Antoine Lavoisier menggambarkan etanol sebagai senyawa yang terbentuk dari karbon, hidrogen, dan oksigen. Pada 1808, Nicolas-Théodore de Saussure menentukan rumus kimia etanol, yakni C2H5OH. Lima puluh tahun kemudian atau pada 1858, Archibald Scott Couper menerbitkan rumus bangun etanol (Lewis, 2002) seperti pada Gambar 2.1.

Etanol sering disingkat menjadi EtOH. “Et” adalah singkatan dari gugus etil (C2H5) dan hidroksil (-OH). Rumus molekul etanol adalah C2 H5 OH, rumus empirisnya C2 H6O, dan rumus bangunnya CH3-CH2-OH. Etanol tidak berwarna dan tidak beracun, tetapi memiliki bau yang khas. Dalam sejarahnya, etanol telah lama digunakan sebagai bahan bakar motor.

Sumber: Lewis (2002)

Gambar 2.1 Rumus Bangun Bioetanol


2. Perkembangan Bioetanol sebagai Bahan Bakar Alternatif

Penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar kendaraan bermotor telah lama dikenal. Pada 1880-an Henry Ford membuat mobil Quadricycle dan sejak 1908 mobil Ford model T telah dapat meng-gunakan bioetanol dari jagung sebagai bahan bakarnya (Ethanol history from alcohol to car fuel, t.t.). Namun, pada 1920-an, bahan bakar dari petroleum yang harganya lebih murah menjadi lebih populer dan banyak digunakan sehingga etanol kurang mendapat-kan perhatian. Sejak timbul kesadaran bahwa pasokan bahan bakar minyak semakin menyusut, penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar kembali menjadi perhatian berbagai negara. Hal ini karena bahan baku bioetanol dalam berbagai bentuk memang telah terse-dia di negara-negara tersebut. Upaya pemanfaatan bahan bakar terbarukan, termasuk bioetanol, berkembang pesat setelah krisis minyak dunia pada awal 1970-an (Bringezu dkk., 2009).

Etanol sebagai bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar minyak (BBM) menarik perhatian masyarakat dunia karena kadar emisi timbal, sulfur, karbon monoksida (CO) yang rendah pada etanol tidak berkontribusi pada akumulasi karbondioksida di atmosfer dan bersifat terbarukan (Costello & Chum, 1998). Liska dkk. (2008) menyatakan bahwa pemanfaatan bioetanol generasi satu dapat mengurangi 30–70% emisi CO2, sedangkan pengguna-an bioetanol generasi kedua dapat mengurangi 90% emisi CO2 dibandingkan dengan BBM setara oktan 90. Namun, etanol sebagai bahan bakar pengganti BBM memiliki kelemahan, yakni nilai kalor bakar etanol (21,1 MJ/L) lebih rendah daripada BBM setara oktan 90 ( 30–33 MJ/L) (Sementa, Vaglieco, & Catapano, 2012). Selain itu, etanol absolut bersifat higroskopis sehingga bila digunakan dalam jumlah banyak sebagai campuran BBM dapat mendorong


Etanol sebagai campuran BBM di berbagai negara kisaranny a bervariasi, dari di bawah 5 sampai 85% etanol (Bailey, 2012). Pen-campuran bioetanol absolut sebanyak 10% dengan bensin (90%) disebut E10 yang juga dikenal sebagai octane enhancer (aditif) yang ramah lingkungan (Bajpai, 2013). Penggunaan E10 di negara-negara maju bahkan telah menggeser penggunaan Tetra Ethyl Lead (TEL) maupun Methyl Tertiary Buthyl Ether (MTBE) (Bustaman, 2008). Pada umumnya, penggunaan bioetanol sebagai campuran BBM di berbagai negara tergantung pada kemampuan negara tersebut menghasilkan etanol dan infrastruktur yang tersedia. Lebih jauh mengenai kebijakan di berbagai negara dalam penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar dijelaskan pada Bab 9.

Tabel 2.1 Perbandingan Sifat Fisik dan Kimia Etanol dengan Gasolin

No Sifat Etanol Gasolin (*)

1 Berat molekul 46,07 100–105

2 C, Karbon (% berat) 52,2 85–88

3 H, Hidrogen(% berat) 13,1 12–15

4 O, Oksigen(% berat) 34,7 2,7

5 Densitas (15oC), (kg/L) 0,79 0,72–0,77

6 Titik didih (oC) 78 27–225 (**)

7 Tekanan uap (38oC), kPa 15,9 48–103

8 Viskositas (20oC), (mPa s) 1,19 0,37–0,44

9 Auto ignition temperatur (oC) 423 257

10 Angka oktan 112,5–114 85–94(***)Keterangan:(*) : setara Pertamina (Oktan 90)(**) : karena multi komponen, tergantung komponen(***) : tergantung jenis BBM

Sumber: Sementa dkk. (2012) dan Szulczyk (2010)

terjadinya korosi dalam mesin. Perbandingan sifat etanol dan BBM diperlihatkan pada Tabel 2.1.


Sampai 2016, pengujian bioetanol masih menjadi perhatian para peneliti. Fokus perhatian mereka pada pengujian sifat bakar bioetanol dan dampaknya pada mesin, terutama bila bioetanol dicampur dengan BBM berbagai kualitas. Dari pengujian ini, diketahui bahwa pencampuran bioetanol dengan BBM sampai pada komposisi 15% etanol (E15) tidak memerlukan perubahan pada mesin meskipun energi yang dihasilkan sedikit berbeda. Sementara itu, campuran dengan komposisi bioetanol di atas 15% memerlukan perubahan mesin atau menggunakan mesin tertentu (Balki, Sayin, & Canakci, 2014; Catapano, Sementa, & Vaglieco, 2013; Sementa dkk., 2012; Turner, Xu, Cracknell, Natarajan, & Chen, 2011). Hingga 2015, banyak pabrik mobil mengembangkan mobil yang dapat beroperasi dengan campuran BBM kadar etanol yang tinggi, yakni BBM 15% dan etanol 85% atau disebut E85. Mobil yang dapat berjalan dengan bahan bakar E85 dan meng-gunakan mesin yang dapat memakai berbagai grade bahan bakar yang disebut flexible fuel vehicles (FFV).

Selain Ford yang menjadi perintis penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar kendaraan, terdapat lebih dari 20 produsen kendaraan dari berbagai negara yang telah menyetujui penggunaan campuran E15, baik hanya untuk jenis tertentu maupun semua jenis kendaraan yang diproduksinya. Tabel 2.2 memperlihatkan produsen yang telah mengizinkan dan belum menggunakan E15 (RFA, 2016).


Tabel 2.2 Produsen Kendaraan yang Menyetujui Penggunaan E15

MerekAudiBMW

Chrysler(*) Kecuali untuk Viper.

(**) Kecuali untuk F650-F750.

Dodge (*)FiatJeepRam

FCA Grup: Fiat-Chrysler Automobiles

Ford Motor Company:

General Motor Company

2015 2016 Keterangan

Ford (**)Lincoln

ChevroletBuickCadilacGMC

HyundaiJaguar

PorscheSubaru

Kia MotorLand RoverMazdaMercedes-Benz

ToyotaLexusScionVolkswagenVolvoAll others

Honda Motor Company:HondaAcura

Nissan Motor Company:

Toyota Motor Company:

NissanInfinity

Sumber: RFA (2016)

Keterangan: E15, disetujui oleh pabrik untuk semua model.E15, belum disetujui oleh pabrik. E15, disetujui oleh pabrik untuk model tertentu.


Tabel 2.3 Perbandingan Sifat Etanol, BBM, dan E10

Sifat Etanol BBM E10

Berat Jenis (kg/m3) pada 20oC 789 790 790Research Octane Number (RON) 108 95,2 98,9Panas pembakaran (MJ/kg) 27 44 41,8C (% berat) 52,20 86,60 83,16H (% berat) 13,10 13,30 13,28O (% berat) 34,70 0,03 3,50

Sumber: Pikunas, Pulkaskas, dan Grabys (2003)

Meskipun sudah banyak industri mobil yang siap mengguna-kan E15, sampai saat ini E10 merupakan campuran yang paling banyak dipakai di berbagai negara. Hal ini karena campuran E10 tidak memerlukan perubahan mesin kendaraan bermotor yang ada saat ini. Selain itu, campuran E10 memiliki angka oktan 95 yang lebih baik daripada BBM dan tidak bertimbal. Sifat-Sifat pembakaran E10, yang merupakan campuran 10% etanol dengan BBM berangka oktan tinggi (Tabel 2.3) memperlihatkan bahwa penggunaan E10 meningkatkan tenaga mesin dan mengurangi gas buang CO2 secara signifikan (Pikunas dkk., 2003).

B. Gambaran Produksi Bioetanol DuniaSeiring dengan meningkatnya kebutuhan, produksi bioetanol sebagai bahan bakar pada 2012–2017 berkembang signifikan. Amerika Serikat (AS), Brasil, dan China merupakan tiga negara produsen sekaligus pengguna utama bioetanol dunia (Tabel 2.4). Bahan baku bioetanol di negara-negara tersebut masih bergantung pada dua bahan pangan penting, yaitu jagung (di AS dan China, dan tebu (di Brasil). Pada periode 2012–2016, produksi bioetanol dunia meningkat 4,6% per tahun. AS dan Brasil menjadi produsen utama yang masing-masing menghasilkan sekitar 57,5% dan 27,5%


produksi bioetanol dunia pada 2015. Artinya, kedua negara tersebut menghasilkan 85% dari total produksi bioetanol dunia. Pada 2015, produksi bioetanol dunia sebesar 25,68 miliar galon (atau 98,6 juta kiloliter) meningkat dari produksi tahun 2014 sebesar 24,57 miliar galon, atau naik sebesar 4,52%.

Di ASEAN, tetes tebu (molasse) dan ubi kayu menjadi bahan baku utama bioetanol. Dalam lingkup ASEAN, Thailand merupa-kan produsen bioetanol terbesar, diikuti oleh Filipina. Gambaran penggunaan bioetanol bahan bakar di Thailand dan Filipina diperlihatkan dalam Tabel 2.5. Sementara itu, negara lain, seperti Vietnam dan Malaysia, sampai tahun 2017 tidak menggunakan bioetanol sebagai campuran BBM. Indonesia sejak 2010 menghenti-kan peng gunaan campuran bioetanol dan BBM (Wright & Rahmanulloh, 2016). Beberapa produsen yang menghasilkan produk bioetanol di Indonesia hanya ditujukan untuk keperluan ekspor. Di Vietnam, dua produsen bioetanol bahan bakar sudah tidak beroperasi karena harga bahan baku singkong meningkat

Tabel 2.4 Penggunaan Bioetanol Bahan Bakar Dunia Tahun 2012–2017 (juta liter)

NegaraTahun

2012 2013 2014 2015 2016 2017(*)AS 50274 50274 54054 55966 57943Brasil 21081 23689 23398 26811 27575China 2858 2934 2951 3078 3155Kanada 1697 1977 1928 1648 1648India 305 382 350 685 1100 700Argentina 250 472 671 815 890 1060Eropa 4456 5182 5462 5242 5205Dunia 82449 88561 92874 97078 t.t

(*): angka sementara

Sumber: diolah dari Aradhey dan Sindelar (2017); Joseph dan Sandoval (2017); Macke & Ward (2017); RFA (2016)


sehingga mengakibatkan harga bahan bakar campuran etanol dan BBM menjadi lebih mahal (Etanol plants in troubles as Vietnam’s plan to boost biofuel fails, 2016). Pada 2017, pemerintah Vietnam be rencana menggunakan kembali bioetanol sebagai campuran BBM dimulai pada Januari 2018. Vietnam pun berencana menghapus penggunaan RON 92 dan mengganti dengan E5 (Thu & Trang, 2017).

C. Bioetanol sebagai Bahan Bakar di IndonesiaDi Indonesia, program pemanfaatan bioetanol sebagai bahan bakar kendaraan bermotor dilakukan untuk mendorong substitusi BBM, mengurangi impor BBM, dan mengurangi polusi udara sebenarnya telah dikaji sejak 1980. Namun, rendahnya harga BBM dan mening-katnya harga bahan baku etanol generasi satu saat itu menyebabkan program pemanfaatan campuran etanol untuk bahan bakar ken-daraan bermotor di Indonesia mengalami banyak hambatan. Dalam perkembangannya, kondisi tersebut berubah seiring dengan diha-pusnya subsidi BBM secara bertahap dan meningkatnya kesadaran akan terbatasnya cadangan minyak Indonesia. Selain itu, komitmen dunia akan bahaya pemanasan global pun semakin meningkat. Bioetanol diyakini berpotensi besar untuk menjadi bahan bakar pengganti BBM. Rencana jangka panjang pemanfaatan bioetanol sebagai bahan bakar di Indonesia tertuang dalam Rencana Bauran Energi 2025 dan Instruksi Presiden untuk Pemanfaatan Bahan

Tabel 2.5 Penggunaan Etanol Bahan Bakar dari Negara ASEAN (juta liter)

NegaraTahun

2012 2013 2014 2015 2016 2017(*)Thailand 471 950 1058 1174 1276 1370Filipina 35 72 115 168 230 274

(*): angka sementara

Sumber : Corpuz dan ALbanese (2017); Preechajarn dan Prasertsri (2017).


Bakar Nabati (BBN) (PerPres No. 5/2006). Berdasarkan agenda riset nasional, target penelitian dan pengembangan bioetanol tahun 2025 adalah dikuasainya teknologi proses, engineering design (de-sain teknik) dan pembangunan pabrik high/superior-performance bioethanol (bioetanol dengan konsentrasi tinggi), produksi bahan bakar bioetanol dengan bahan baku lignoselulosa dari hasil sam-ping tanaman, dan produksi bahan bakar etanol secara tepat guna pada skala kecil dan menengah.

Pada 2006–2009, pengujian bioetanol untuk bahan bakar kendaraan bermotor pernah dilakukan. Campuran yang digunakan sebagai bahan bakar dalam pengujian tersebut adalah campuran 95% BBM dengan 5% etanol atau disebut E5 (PT Pertamina, 2011). Namun karena tidak cukupnya suplai etanol anhydrous, Pertamina tidak dapat melakukan pendistribusian biopremium ini. Dalam perkembangannya, pencampuran bioetanol dengan BBM yang menggunakan komposisi E5 bahkan terhenti sama sekali sejak 2010.

Sebenarnya bioetanol tidak hanya digunakan dalam pen-campuran BBM untuk bahan bakar. Bioetanol juga diprogramkan sebagai pengganti minyak tanah (kerosen) atau disebut Program minyak tanah dari etanol (Mitanol) (Sudiyani, 2015). Program Mi-tanol ditujukan pada daerah yang sulit mendapatkan bahan bakar minyak tanah. Pulau Sulawesi di Indonesia Timur merupakan sentra tanaman aren untuk produksi arak (etanol) sebagai minum keras. Melalui kegiatan sinergi Pusat Unggulan IPTEK (PUI) Bioetanol G2 LIPI dan PUI Bahan bakar Dimethyl Ether (DME) Lemigas ESDM telah melaksanakan program Mitanol ta hap awal pada 2017 di Kabupaten Gorontalo Sulawesi Tengah, dan pada 2018 di Kabupaten Raha Sulawesi Tenggara.

Pada periode 2010–2017, penggunaan bioetanol di dalam ne-geri sangat kecil, dan produk bioetanol dari Indonesia lebih banyak


untuk kebutuhan ekspor. Hal ini juga karena harga bioetanol di negara tujuan ekspor jauh lebih tinggi daripada di dalam negeri (Ulum, 2014). Pada 2017, pemerintah berencana menggunakan kembali bioetanol sebagai campuran BBM mulai Januari 2018 (Purwanto, 2017).

Mengingat dorongan dan tantangan tersebut, sudah selayaknya penelitian pengembangan sumber energi alternatif bioetanol un-tuk sektor transportasi di Indonesia dikembangkan lagi. Namun, pengembangan ini juga harus memperhitungkan kekurangan dan keberhasilan penelitian terdahulu.

D. Bioetanol Berdasarkan Bahan BakuBerdasarkan bahan bakunya, bioetanol dikelompokkan menjadi empat generasi. Bioetanol generasi satu (G1) menggunakan bahan baku yang mengandung pati atau bahan yang mengandung gula. Bioetanol generasi dua (G2) menggunakan bahan baku yang ber asal dari biomassa lignoselulosa. Bioetanol generasi tiga (G3) menggunakan bahan baku yang berasal dari mikroalga maupun makroalga. Bioetanol generasi empat (G4), yang kadang-kadang disebut bioetanol lanjut (advanced bioethanol), dihasilkan dari biomassa atau oleh mikrob yang telah mengalami proses modifikasi genetika.

1. Bioetanol Generasi SatuBioetanol G1 merujuk pada etanol yang terbuat dari gula atau pati. Bahan baku untuk produksi bioetanol G1 bisa didapatkan dari berbagai tanaman, baik yang secara langsung menghasilkan gula sederhana (tebu dan sorgum manis) maupun tanaman yang meng-hasilkan pati (jagung, ubi kayu, dan gandum). Jenis tanaman yang dapat digunakan sebagai sumber bahan baku bioetanol generasi satu dapat dilihat pada Gambar 2.2.


Sumber: Dimodifikasi dari Monceaux (2009); Naik, Goud, Rout, dan Dalai (2010)

Gambar 2.2 Pengelompokan Tanaman Sumber Bahan Baku Bioetanol G1

Umbi-umbian

Biji Sereal

Singkong

Kentang

Tebu

Sorgum manis

Jagung

Gandum

Triticale

GandumHitam

Jelai

Sorgum

Nira

Bit Gula

Rumput

Tanaman Akar

Palem-paleman

Kaya Pati

Biji Gula

Tana

man

Pan

gan

a. Proses Pembuatan Bioetanol Generasi SatuAlur proses produksi bioetanol G1 tergantung jenis bahan baku yang digunakan. Bahan baku kaya gula akan difermentasi secara langsung menjadi alkohol. Bahan baku kaya pati harus melalui serangkaian tahapan, yaitu persiapan bahan baku, pengolahan awal, hidrolisis pati menjadi gula, fermentasi gula menjadi etanol, dan pemurnian etanol.

Persiapan bahan baku dilakukan dalam rangka mempersiap kan bahan baku agar dapat diproses lebih lanjut. Jika bahan baku yang digunakan dari umbi-umbian, seperti ubi kayu, proses persiapan nya adalah mengupas dan membersihkan ubi kayu. Bahan baku yang


telah dipersiapkan ini lalu masuk ke proses perlakuan awal. Pada proses perlakuan awal, bahan baku yang telah bersih dipotong-potong, digiling, dan dilakukan pemisahan pati dari serat. Proses selanjutnya adalah hidrolisis pati menjadi gula dengan bantuan asam atau enzim. Proses pembuatan bioetanol G1 sudah tetap, tetapi teknologi enzim terus berkembang untuk menghidrolisis pati secara efisien (Comprehensive cellulosic ethanol report: A detail report on cellulosic ethanol, 2010; Zheng, Leaver, & Tocher, 2009).

Kemudian, larutan gula yang diperoleh dari proses hidrolisis difermentasi dengan bantuan ragi. Ragi yang digunakan biasanya Saccharomyces cerevisiae. Bakteri Zymomonas mobilis juga sering digunakan dalam proses fermentasi etanol ini. Konsentrasi etanol yang dicapai dari proses fermentasi adalah 10% (Wahono dkk, 2015). Tahap terakhir adalah permurnian alkohol hasil fermentasi melalui proses distilasi dan dehidrasi sehingga dicapai bioetanol kualitas bahan bakar (kadar > 99,5%). Proses penghilangan air melalui distilasi dan adsorpsi atau proses dehidrasi lainnya menjadi kunci penting dalam produksi bioetanol untuk keperluan bahan bakar (Zheng dkk., 2009). Hal ini karena proses tersebut harus mampu mengatasi sifat azeotropik campuran etanol dan air sehingga etanol untuk keperluan pencampuran dengan BBM dapat dihasilkan. Sifat azeotropik terjadi bila ada campuran dua atau lebih komponen yang saling terikat dengan sangat kuat dan sulit dipisahkan dengan distilasi biasa. Titik azeotrop alkohol adalah pada kondisi campuran 96% alkohol dan air 4%. Bagan proses pembuatan bioetanol G1 dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Pembuatan bioetanol G1 akhir-akhir ini dikaji kembali karena empat alasan. Pertama, bahan yang digunakan berkompetisi dengan bahan pangan sehingga akan mendorong kenaikan harga komoditi pangan. Kedua, pembuatan bioetanol GI hanya menggunakan pati sehingga lignoselulosa yang ada pada bahan baku awal terbuang


dan menghasilkan limbah dalam jumlah besar. Ketiga, mendorong peningkatan produksi pupuk dan akan berimbas pada biaya ko-moditas pangan. Kempat, keterbatasan geografi daerah penghasil bahan baku (Bringezu dkk., 2009; Comprehensive cellulosic ethanol report: A detail report on cellulosic ethanol, 2010; Ritslaid, Küüt, & Olt, 2010; Zheng dkk., 2009).

Di Indonesia, hingga 2016 industri bioetanol umumnya meng-gunakan bahan baku tetes tebu atau pati ubi kayu. Bahan-bahan tersebut masih banyak diperlukan untuk mencukupi kebutuhan pangan atau industri pangan sehingga terjadi persaingan antara penggunaan untuk bahan pangan dan penggunaan untuk energi. Persaingan ini mendorong munculnya upaya mencari bahan baku alternatif yang tidak berkompetisi dengan kebutuhan pangan. Berdasarkan kedua hal tersebut, penelitian pembuatan bioetanol G2 yang menggunakan bahan baku lignoselulosa, khususnya dari limbah lignoselulosa, sangat diperlukan.

2. Bioetanol Generasi DuaBioetanol G2 adalah bioetanol yang berbahan baku biomassa lignoselulosa. Biomassa lignoselulosa untuk produksi bioetanol dapat diperoleh dari berbagai limbah, seperti limbah pertanian,

Sumber: Dimodifikasi dari Monceaux (2009)

Gambar 2.3 Bagan Proses Pembuatan Bioetanol Generasi Satu

Perlakuan aw

al

Hidrolisis

Fermentasi

Pemurnian

BioetanolGula

Pati


perkebunan, kehutanan, industri, dan limbah organik perkotaan. Contoh biomassa lignoselulosa yang berpotensi sebagai bahan baku bioetanol adalah jerami padi, bagas tebu, bagas sorgum, tongkol jagung, tandan kosong kelapa sawit, limbah kayu, sampah organik padat, dan lain-lain.

Penggunaan bahan baku lignoselulosa untuk produksi bioetanol mendapat perhatian para ahli di bidang pengembangan energi baru terbarukan di berbagai negara. Hal ini karena jumlah bahan baku lignoselulosa berlimpah dan tersedia di hampir semua negara. Data terbaru menyebutkan bahwa bioetanol dari lignoselu-losa (bioetanol G2) mengurangi emisi gas rumah kaca lebih besar dibandingkan bioetanol G1 dan bahan bakar fosil. Bioetanol dari lignoselulosa hanya menghasilkan emisi gas rumah kaca sebesar 11 kg CO2-eq per MJ, sementara bioetanol G1 dan bensin melepaskan emisi berturut-turut sebesar 81 kg CO2-eq per MJ dan 94 kg CO2-eq per MJ (Farrell dkk., 2006).

Bahan lignoselulosa adalah kombinasi dari tiga polimer yang berikatan dalam matriks padat. Ketiga polimer tersebut adalah selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Kandungan selulosa dan hemi-selulosa tersebut dapat dikonversi menjadi bioetanol. Kimiawan Prancis, Henri Braconnot, adalah orang pertama yang menemukan selulosa yang dapat dihidrolisis menjadi gula dengan menggunakan asam sulfat pada 1819 (Demirbas, 2009). Gula kemudian diproses untuk membentuk etanol melalui fermentasi.

Proses hidrolisis adalah proses konversi selulosa/hemiselulosa menjadi gula monomer (C6 atau C5) dengan menggunakan asam atau enzim. Proses fermentasi menggunakan ragi, umumnya ragi Saccharomyces cerevisiae, dilakukan untuk mengubah glukosa (C6) menjadi bioetanol. Ragi Pichia stipitis juga dapat digunakan untuk mengubah xilosa (C5) menjadi bioetanol. Rekombinan kedua ragi tersebut biasanya dipakai untuk konversi serentak dari gula C6 dan


C5 menjadi bioetanol (Zhang & Geng, 2012). Tahapan selanjutnya adalah pemurnian untuk mendapatkan bioetanol kadar tinggi (≥ 99,5%) dengan proses distilasi dan dehidrasi.

Proses pembuatan bioetanol G2 dapat dilakukan dengan me-tode konversi biokimia, termobio kimia, atau termokimia. Metode biokimia terdiri atas empat tahapan, yaitu perlakuan awal (pretreat-ment), sakarifikasi, fermentasi, dan pemurnian (Bansal, 2010). Pem-buatan bioetanol G2 dengan metode biokimia akan dibahas pada Bab 4 dan 5. Pembuatan bioetanol dengan metode termobiokimia adalah proses gasifikasi untuk memecah biomassa menjadi gas sintesis (campuran karbon monoksida dan hidrogen) dan gas sintesis tersebut kemudian difermentasi menjadi bioetanol dengan bantuan mikrob. Pembuatan bioetanol berbahan baku lignoselulosa dengan termobio kimia melalui proses gasifikasi-fermentasi gas sintesis akan dibahas lebih lengkap pada Bab 6.

3. Bioetanol Generasi TigaJika bioetanol G1 berbahan baku pati atau gula sederhana dan bioetanol G2 berasal dari biomassa lignoselulosa, bioetanol G3 berasal dari alga (Daroch, Geng, & Wang, 2013; Harun dkk., 2014; Kumar, Mishra, Shrivastav, Park, & Yang, 2015; Li, Liu, & Liu, 2014; Voloshin, Rodionova, Zharmukhamedov, Vejat, & Allakhverdiev, 2016). Penggunaan alga sebagai bahan bakar nabati memang bukan hal yang baru. Namun, semakin menipisnya sumber daya alam penghasil bahan bakar fosil dan semakin tingginya kesadaran manusia terhadap lingkungan membuat penelitian mengenai pemanfaatan sumber daya terbarukan seperti alga akan terus dikembangkan.

Berdasarkan morfologi dan ukurannya, alga dikategorikan menjadi dua jenis, yaitu makroalga dan mikroalga. Makroalga dapat tumbuh hingga mencapai panjang 60 m; terdiri atas banyak


sel dan memiliki organ yang menyerupai batang, akar, dan daun seperti tumbuhan tingkat tinggi. Berdasarkan variasi pigmentasi fotosintesisnya, makroalga diklasifikasikan menjadi tiga kelompok utama, yaitu makroalga merah (Rhodophyta), makroalga cokelat (Phaeophyta), dan makroalga hijau (Chlorophyta) (John, Anisha, Nampoothiri, & Pandey, 2011; Kraan, 2013). Makroalga merah (Rhodophyta) biasa hidup di daerah tropis, sementara makroalga cokelat (Phaeophyta) hidup di air yang sangat dingin dan makroalga hijau (Chlorophyta) dapat hidup di semua jenis air (Bucholc dkk., 2014).

Sesuai dengan namanya, mikroalga berukuran sangat ke-cil, antara 1–50 µm, bersifat uniseluler, dan hidup dalam bentuk filamen serta koloni (John dkk., 2011). Mikroalga diklasifikasikan berdasarkan struktur selnya, yaitu prokariotik, contohnya alga biru-hijau (cyanobacteria) dan eukariotik, contohnya alga hijau (Mata, Martins, & Caetano, 2010).

Makroalga dan mikroalga sama-sama berpotensi sebagai bahan baku bioetanol. Produktivitas, skala proses, dan kesinambungan suplai adalah faktor penting dalam pemilihan jenis alga (mikroalga dan makroalga) sebagai bahan baku untuk bahan bakar nabati (Chen, Zhou, Luo, Zhang, & Chen, 2015). Selain mengandung karbohidrat, alga juga mengandung protein dan lipid. Hal inilah yang menjadikan alga potensial untuk dikonversi tidak hanya untuk bioetanol, tetapi juga untuk bahan bakar nabati lainnya, seperti biodiesel, biolistrik, dan biooil (Dragone, Fernandes, Vicente, & Teixeira, 2010; Suganya, Varman, Masjuki, & Renganathan, 2016). Tabel 2.6 memperlihatkan komposisi biokimia masing-masing makroalga dan mikroalga. Dibandingkan dengan mikroal ga, pemanfaatan makroalga untuk dijadikan sebagai bioetanol kurang mendapat perhatian. Hal ini disebabkan karena walaupun mak-roalga memiliki kandungan karbohidrat yang tinggi dan lignin


yang rendah, glukosa yang terkandung dalam makroalga, seperti rumput laut (seaweed) hanya sedikit (Milledge, Smith, Dyer, & Harvey, 2014).

Dibandingkan bioetanol G1 dan G2, bioetanol G3 memiliki lebih banyak keunggulan. Mikroalga, misalnya, dapat dipanen sepanjang tahun dengan waktu panen yang singkat (1–10 hari). Perolehan etanol per satuan luas alga juga lebih besar dibandingkan biomassa lain (Chaudhary, Pradhan, Soni, Singh, & Tiwari, 2014; Ozcimen & Inan, 2015) (Tabel 2.7).

Keuntungan lainnya adalah mikroalga dapat dibudidayakan di air payau dan lahan yang tidak sesuai untuk pertanian. Oleh karena itu, pembudidayaannya tidak akan berdampak negatif pada pemakaian lahan pertanian. Bertolak belakang dengan bioetanol generasi dua yang menghasilkan CO2, alga berkontribusi menu-

Tabel 2.6 Komposisi Biokimia Makroalga dan Mikroalga (% berat kering)

Alga Karbohidrat Protein LipidMakroalgaUlva lactica 54,3 20,6 6,2Gelidium amansii 83,6 12,2 0,9Laminaria japonica 59,5 30,9 1,5Caulerpa cupressoides 51,75 7,43 10,97Caulerpa laetevirens 56,25 8,78 8,80

Codium tomestosum 50,63 6.08 9

MikroalgaPorphyridium cruentum 40–57 28–39 9–14 Scenedesmus dimorphus 21–52 8–18 16–40 Spirogyra sp. 33–64 6–20 11–21

Anabaena cylindrical 25 – 30 43 – 56 4 – 7

Dunaliela salina 32 57 6

Prymnesium parvum 25–33 28–45 22–39

Sumber: Chen dkk.(2015); Dragone dkk. (2011); Suganya dkk. (2016)


Tabel 2.7 Perbandingan Perolehan Bioetanol dari Berbagai Sumber Biomassa

Biomassa Perolehan etanol (L/ha)Bioetanol Generasi SatuSorgum 3050–4070Jagung 3460–4020Gula Bit 5010–6680Gula tebu 6190–7500Bioetanol Generasi DuaTongkol Jagung 1050–1400Tandan Kosong Kelapa Sawit* 1087–1268Bioetanol Generasi TigaAlga 46.760–140.290

Keterangan: * Asumsi produktivitas CPO/hektare 6–7 ton (Sheil dkk., 2009). Perhitungan bioetanol dengan menggunakan Badger (2002)

Sumber: Adams, Gallagher, dan Donnison (2009); Mussatto dkk. (2010); Ozcimen dan Inan (2015)

runkan emisi gas rumah kaca (GRK) karena kemampuannya dalam mengikat CO2, baik dari atmosfer maupun dari gas buang industri (Dragone dkk., 2010).

Sama halnya dengan bioetanol G1 dan G2, produksi bioetanol dari alga juga dilakukan melalui proses sakarifikasi dan fermentasi. Tahapan produksi bioetanol G3 sebagai berikut.

a. Proses Pembudidayaan dan Pemanenan AlgaAda dua metode yang biasa digunakan dalam pembudidayaan alga, yaitu sistem kolam terbuka (open pond system) dan foto bioreaktor tertutup (closed photo bioreactor). Sistem kolam terbuka adalah cara paling umum dan murah yang digunakan untuk produksi biomassa berskala besar. Kelemahannya, konsentrasi biomassa yang diperoleh dengan menggunakan sistem kolam terbuka lebih rendah (0,5–1 kg m-3) dibandingkan menggunakan sistem fotobioreaktor tertutup (2–9 kg m-3) (Kumar dkk., 2015).


Tantangan utama dalam komersialisasi mikroalga skala indus-tri adalah pada saat produksi dan pemanenan mikroalga. Secara teoretis, produktivitas maksimum alga pada area dengan radiasi matahari yang tinggi adalah 100 g/m2/hari. Namun kenya taannya, produktivitas alga dengan sistem kolam terbuka berada dalam range 15–30 g/m2/hari (Darzins, Pienkos, & Edye, 2010). Kesulitan pemanenan mikroalga terletak pada rendahnya densitas sel (<1,0 g L-) menggunakan sistem kolam terbuka dan kecilnya ukuran sel (2–20 µm). Proses pemanenan mikroalga juga biayanya mahal, bahkan menghabiskan 20–30% biaya produksi total (Wan dkk., 2014). Namun, saat ini berbagai teknologi dikembangkan untuk pemanenan mikroalga, seperti sentrifugasi, filtrasi, flotasi, dan flokulasi. Kesulitan lainnya adalah slurry biomassa yang telah dipanen (mengandung 5–15% padatan kering) sehingga mudah hancur dan harus diproses secepat mungkin setelah dipanen. Oleh karena itu, dehidrasi atau pengeringan biasanya digunakan untuk mempertahankan kualitas alga. Pengeringan dengan bantuan sinar matahari, pengeringan bertekanan rendah, spray drying, drum drying, fluidized bed drying dan pengeringan beku (freeze drying) adalah beberapa metode yang digunakan dalam pengeringan (dehidrasi) alga.

b. Perlakuan AwalKarbohidrat pada umumnya tersimpan dalam dinding sel alga (Singh, Nigam, & Murphy, 2011). Supaya gula polisakarida dalam karbohidrat ini dapat digunakan, perlakuan awal harus dilakukan. Perlakuan awal juga diperlukan agar proses selanjutnya ( sakarifikasi dan fermentasi) dapat dilakukan dengan mudah sehingga meng-hasilkan perolehan dan konsentrasi etanol yang tinggi. Perlakuan awal dapat dilakukan secara fisika, kimia (asam dan basa), dan biologi. Kavitha, Ashokkumar, Chinnasamy, Bhaskar, dan


Rengasamy (2014) membandingkan dua perlakuan awal, yaitu asam (asam organik) dan basa (basa kuat dan amonia, AFEX) pada mikroalga Botryococcus braunii. Dari penelitian tersebut, diketahui bahwa perlakuan awal dengan menggunakan ammonia fiber explosion (AFEX) menghasilkan perolehan gula tertinggi (0,5 g/g biomassa) dan perolehan etanol maksimum (0,232 g etanol/g biomassa) (Kavitha dkk., 2014). Dibandingkan metode perlakuan awal lain, perlakuan awal secara enzimatis memperlihatkan hasil yang lebih besar. Hal ini disebabkan perlakuan awal secara enzima-tis mempunyai spesifikasi yang tinggi, tidak memerlukan kondisi yang terlalu ekstrem, dan lebih mudah diaplikasikan untuk skala industri. Namun, harga enzim yang mahal menjadi hambatan yang sangat signifikan dalam produksi bioetanol. Sebagai contoh, per-lakuan awal pada Chlorella vulgaris menggunakan enzim glukanase dan protease menunjukkan laju sakarifikasi 86–96 %. Chlorella sorokiniana bahkan menghasilkan laju sakarifikasi hingga 100% dengan menggunakan enzim cellulase dan amylase (Velazquez-lucio dkk., 2018).

c. SakarifikasidanfermentasiSama halnya dengan biomassa lignoselulosa lainnya, konversi mikroalga menjadi bioetanol dilakukan dengan sakarifikasi dan fermentasi. Tabel 2.8 menunjukkan perbandingan kondisi per-lakuan awal, mikrob yang digunakan, dan perolehan bioetanol dari berbagai mikroalga.

Bioetanol yang berasal dari mikroalga memiliki peranan pen ting sebagai sumber bahan bakar nabati karena rendahnya kandu ngan persentase lignin dibandingkan biomassa lignoselulosa lainnya. Namun, biaya pemanenan lebih besar dibandingkan bahan baku biomassa lainnya. Hal ini di sebabkan proses pembudidayaan yang rentan kontaminasi, kecil ukuran, dan rendah konsentrasi biomassa.


4. Bioetanol Generasi EmpatSebagaimana telah diuraikan, tantangan terbesar yang dihadapi dalam pembuatan bioetanol G1 adalah terjadinya kompetisi peng-gunaan bahan baku antara bahan untuk pangan dan energi. Hal ini telah terjadi di Indonesia sejak 2013 saat beberapa industri bioetanol berbahan baku ubi kayu dan molase kesulitan menda-patkan ubi kayu sehingga pabrik tidak bisa beroperasi secara penuh atau bahkan menghentikan produksinya.

Hal ini berbeda dengan pembuatan bioetanol G2. Meskipun jumlah dan jenis bahan baku bioetanol G2 yang berupa biomassa lignoselulosa tersedia dalam jumlah besar dan tidak berkom-petisi dengan bahan pangan, tantangan yang dihadapi terletak pada proses perlakuan awal. Pada proses pertama dalam rangkaian proses produksi bioetanol G2 ini, dibutuhkan bahan kimia dan energi yang besar untuk menghancurkan dan memisahkan lignin sehingga selulosa dan hemiselulosa yang bebas dari kungkungan lignin bisa diproses menjadi bioetanol. Bahan hasil pemecahan lignin juga menjadi inhibitor dalam proses produksi bioetanol (Hisano, Nandakumar, & Wang, 2009). Tantangan lainnya, limbah dari proses pemisahan lignin dan bahan kimia dalam pengolahan awal jumlahnya besar, tergantung jenis biomassa yang digunakan.

Tabel 2.8 Perbandingan Perolehan Bioetanol dari Berbagai Sumber Mikroalga

Biomassa Mikrob yang digunakan untuk fermentasi Perolehan Bioetanol

Chlorococcum humicola Saccharomyces cerevisiae 0,520 g/g alga

Chlorella Saccharomyces cerevisiae 0,470 g/g glukosa

Gelidium amasii Brettanomyces custersii 27,6 g etanol/L hidrolisist

Saccharina japonica Pichia angophorae 7,7 g etanol/L hidrolisist

Sumber: Harun dkk. (2014); Kavitha dkk. (2014)


Sebagai contoh, limbah lignin mencapai 20–35% dari berat bahan baku biomassa yang diolah. Kedua tantangan ini sangat memenga-ruhi biaya produksi bioetanol G2. Namun, karena etanol sangat dibutuhkan untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar minyak, industri bioetanol G2 di beberapa negara telah beroperasi atau sedang dibangun dalam pada 2013 dan 2014.

Lain lagi tantangan yang dihadapi dalam proses pembuatan bioetanol G3 atau yang terbuat dari alga. Tantangan yang dimaksud adalah energi yang diperlukan untuk proses pemanenan atau pemi-sahan alga dari air masih sangat besar. Dengan dilatarbelakangi oleh berbagai tantangan tersebut, pada akhir 1990-an muncul penelitian yang mencari cara lain guna memanfaatkan biomassa lignoselulosa dan biomassa non-lignoselulosa, terutama untuk menghasilkan proses pengolahan awal yang lebih efisien dan lebih ramah lingkungan. Bioetanol yang dihasilkan dalam penelitian ini disebut bioetanol generasi empat atau G4 (Lu, Sheahan, & Fu, 2011; Saha, Yoshida, Cotta, & Sonomoto, 2013), dan ada pula yang menyebutnya sebagai etanol lanjut (advanced biofuel)(Aro, 2016).

Pendekatan yang digunakan para ahli untuk menghasilkan bioetanol G4 dapat diklasifikasikan dalam tiga kelompok. Pertama, melakukan modifikasi genetika untuk mengubah jumlah lignin dalam tanaman. Kedua, melakukan modifikasi genetika untuk meningkatkan jumlah penyerapan karbon dioksida oleh tanaman. Ketiga, menggunakan modifikasi genetika bakteri untuk meng-hasilkan bioetanol.

Kelompok peneliti yang melakukan modifikasi genetika untuk mengurangi jumlah lignin dalam tanaman atau menghasilkan bio-massa dengan derajat polimerisasi lignin lebih rendah, berupaya agar lignin tidak sulit dipisahkan sehingga meningkatkan efisiensi proses sakarifikasi (Eudes dkk., 2012; Jung, Fouad, Vermerris, Gallo, & Altpeter, 2012; Kalluri, Yin, Yang, & Davison, 2014). Beberapa


contoh tanaman yang telah berhasil dikurangi ligninnya adalah rumput gajah (Fu dkk., 2011; Shen dkk., 2013), eucalyptus, poplar, (Biopact, 2007) dan tebu (Jung dkk., 2012).

Pendekatan lain adalah melalui proses modifikasi genetika untuk meningkatkan jumlah kandungan gula atau pati dalam tanama n (Demirbas, 2009; Saha dkk., 2013; Wu, 2008). Contoh tanaman yang telah dicoba adalah tebu. Tebu yang dihasilkan dari proses modifikasi genetika ini menghasilkan gula sampai 260% lebih tinggi daripada tebu pembanding yang tidak mengalami modifikasi genetika (Wu, 2008).

Pendekatan lain lagi melalui modifikasi genetika, yakni mem buat tanaman mengandung enzim tertentu, yang kemudian saat dibutuhkan enzim dalam matriks tanaman tersebut akan membantu penghancuran matriks biomassa itu sendiri sehingga mempermudah proses pengolahan awal. Contoh bioetanol G4 yang menggunakan pendekatan ini adalah bioetanol dari tebu (Bioethanol in Brazil, 2009) dan jagung (Biopact, 2007) yang telah mengalami modifikasi genetika sehingga dalam batang tebu atau jagung terdapat enzim yang membantu penghancuran lignoselulosa apabila limbah tanam an tersebut dijadikan bahan baku bioetanol.

Tanaman-tanaman yang mengalami proses modifikasi genetika tersebut, selanjutnya digunakan sebagai bahan baku untuk pem-buatan bioetanol melalui tahapan proses seperti dalam pembuatan bioetanol G2. Tabel 2.9 memperlihatkan rangkuman perkembangan pendekatan modifikasi genetika tanaman serta pengaruhnya pada pembuatan bioetanol.

Selain dihasilkan melalui pendekatan modifikasi genetika untuk memengaruhi komposisi komponen lignin atau lainnya dari tanaman, bioetanol G4 dapat dihasilkan dari pengembangan khusus biologi tanaman (plant biology). Dalam hal ini, etanol


dihasilkan dari lignoselulosa tanaman yang dirancang sedemikian rupa sehingga mampu menyerap lebih banyak karbon dioksida (CO2). Percobaan ini telah dilakukan untuk tanaman Eucalypthus dan Dahurian Larch (Biopact, 2007). Tanaman dilihat sebagai mesin penangkap karbon yang efisien, melalui teknologi tertentu tanaman dibuat menyerap lebih banyak CO2 dari udara, menyimpannya di cabang, ranting dan daun. Biomassa yang kaya karbon ini kemudian dikonversikan menjadi bioetanol menggunakan teknologi proses seperti pada pembuatan bioetanol G2.

Tabel 2.9 Contoh Perkembangan Modifikasi Genetika Tanaman untuk Bahan Ba ku Pembuatan Etanol

Tanaman Tujuan modifikasi genetika Hasil modifikasi Sumber

Tebu(Saccharum sp.)

Peningkatan kandungan gula dalam tebu

Peningkatan total gula 2 kali lebih tinggi.

(Wu, 2008)

Rumput Gajah(Panicum virgatum)

Peningkatan etanol yang bisa dihasilkan

Peningkatan etanol hasil 38 % lebih tinggi dari pada rumput pembanding yang tidak dilakukan modifikasi

(Fu dkk., 2011)

Tebu (Saccharum sp.)

Menurunkan kandungan lignin

Penurunan kandungan lignin sampai dengan 8,4% dan peningkatan glukosa sampai dengan 29%

(Jung dkk., 2012)

Rumput Gajah (Panicum virgatum)

Menurunkan lignin, dan peningkatan etanol yang bisa dihasilkan

Peningkatan etanol hasil 2,6 kali lebih tinggi

(Shen dkk., 2013)

Arabidopsis Thaliana

Modifikasi lignin, penurunan derajat polimerisasi lignin

Peningkatan efisiensi proses sakarifikasi (sampai dengan 77 %) tergantung jenis proses pengolahan yang diaplikasikan

(Eudes dkk., 2012)

Sumber: Eudes dkk. (2012); Fu dkk. (2011); Jung dkk. (2012); Shen dkk. (2013); Wu (2008)


Selain memanfaatkan biomassa lignoselulosa, bentuk lain dari bioetanol G4 adalah etanol yang dihasilkan dari biomassa bakteri maupun alga yang merupakan hasil rekayasa genetika. Proses ini dilakukan dengan memanfaatkan kemampuan alga dan cyanobacteria (dikenal sebagai blue green algae), yang telah mengalami rekayasa genetika dan digunakan untuk menghasilkan etanol (Chaudhary dkk., 2014; Deng & Coleman, 1999; Dexter, Armshaw, Sheahan, & Pembroke, 2015; Li, Song, & Yu, 2014; Lu dkk., 2011; Luan dkk., 2015). Salah satu contoh adalah pemanfaatan cyanobacteria Synechococcus sp. yang mengalami modifikasi gene-tika untuk menghasilkan etanol. Pendekatan ini dilakukan karena cyanobacteria mampu memanfaatkan cahaya, karbon dioksida dan anorganik nutrien sederhana untuk tumbuh menghasilkan etanol. Bakteri yang dapat tumbuh dengan nutrien sederhana dan dapat hidup dengan kepadatan tinggi ini dipandang sangat poten-sial untuk menjadi mesin produksi etanol. Salah satu keuntungan pendekatan ini adalah tidak ada permasalahan limbah kimia yang dihadapi dalam produksi etanol G2.

Meskipun berbagai penelitian bioetanol G4 ini masih dalam bentuk percobaan berskala laboratorium, banyak peneliti melihat proses ini akan menjadi cara untuk menyelesaikan masalah dunia pada masa depan, terutama dalam pencarian sumber energi baru pengganti bahan bakar cair dari fosil, dan sekaligus untuk meng-hindari terjadinya kompetisi penggunaan bahan pangan dan bahan energi serta ramah lingkungan.

E. KesimpulanBioetanol adalah etanol yang dibuat melalui proses fermentasi atau proses termobio kimia, merupakan salah satu alternatif bahan bakar yang dapat mengurangi ketergantungan dunia pada bahan bakar minyak. Berdasarkan bahan bakunya, bioetanol dikelompok-


kan menjadi empat generasi, yakni GI, G2, G3, dan G4. Bioetanol G1 menggunakan bahan baku yang mengandung karbohidrat (pati/amilum) atau bahan yang mengandung gula. Bioetanol G2 menggunakan bahan baku yang berasal dari biomassa lignoselu-losa. Bioetanol G3 menggunakan bahan baku yang berasal dari mikroalga atau makroalga. Bioetanol G4 dihasilkan dari biomassa atau oleh mikrob yang telah mengalami proses modifikasi genetika.

Daftar PustakaAdams, J. M., Gallagher, J. A., & Donnison, I. S. (2009). Fermentation study

on Saccharina latissima for bioethanol production considering variable pre-treatments. J. Appl. Phycol., 21, 569–574. https://doi.org/10.1007/s10811-008-9384-7.

Aradhey, A., & Sindelar, S. (2017). India - Biofuels Annual 2017. Global Agricultural Information Network.

Aro, E. (2016). From first generation biofuels to advanced solar biofuels. Ambio, 45(1), 24–31. https://doi.org/10.1007/s13280-015-0730-0.

Badger, P. (2002). Ethanol from cellulose: A general review. Trends in New Crops and New Uses, 17–21.

Bailey, B. K. (2012). Fuel quality issues and the US research report. Dipre-sentasikan pada The Japan Auto/Oil Program (JATOP) Conference.

Bajpai, P. (2013). Advances in bioethanol. New Delhi: Springer. https://doi.org/10.1007/978-81-322-1584-4.

Balki, M. K., Sayin, C., & Canakci, M. (2014). The effect of different alcohol fuels on the performance, emission and combustion characteristics of a gasoline engine. Fuel, 115, 901–906. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.09.020.

Bansal, S. (2010). Evaluation of different agricultural biomass for bioethanol production. (Tesis). Department of Grain Science and Industry College of Agriculture, Kansas State University, Manhattan.

Bioethanol in Brazil. (2009). Sugarcane bioethanol: Our strategy in four generations. Diakses pada 15 januari 2017 dari Https://bioethanolbrazil.wordpress.com/2009/01/28/.

Biopact. (2007). A quick look at ‘fourth generation’ biofuels. (2007). Biopact. Diakses dari https://global.mongabay.com/news/bioenergy/2007/10/quick-look-at-fourth-generation.html.


Bringezu, S. (Ed.). (2009). Towards sustainable production and use of resources: Assessing biofuels. UNEP/Earthprint.

Bucholc, K., .Szymczak-Żyła, M., Lubecki, L., Zamojska, A., Hapter, P., Tjernström, E., & Kowalewska, G. (2014). Nutrient content in macrophyta collected from southern Baltic Sea beaches in relation to eutrophication and biogas production. Science of the Total Environment, 473–474, 298–307. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.12.044.

Bustaman, S. (2008). Kebijakan pengembangan bahan bakar nabati (Bioetanol). Ekonomi dan Pembangunan, XVI(1), 39.

Catapano, F., Sementa, P., & Vaglieco, B. M. (2013). Optical characterization of bio-ethanol injection and combustion in a small DISI engine for two wheels vehicles. Fuel, 106, 651–666. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.11.064.

Chaudhary, L., Pradhan, P., Soni, N., Singh, P., & Tiwari, A. (2014). Algae as a feedstock for bioethanol production: New entrance in biofuel world. International Journal of Chem. Tech. Research, 6(2), 1381–1389.

Chen, H., Zhou, D., Luo, G., Zhang, S., & Chen, J. (2015). Macroalgae for biofuels production: Progress and perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 47, 427–437. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.03.086.

Comprehensive Cellulosic Ethanol Report: A detail report on cellulosic ethanol. (2010).

Corpuz, P., & Verzani W. (2011). Philippines, biofuels annual: Philippine biofuels industry situation and outlook. USDA Foreign Agriculture Service. Diakses dari https://gain.fas.usda.gov/Recent%20GAIN%20Publications/Biofuels%20Annual_Manila_Philippines_8-15-2011.pdf.

Costello, R., & Chum, H. L. (1998). Biomass, bioenergy and carbon management. Ezpanding BioEnergy Partnership, 11–17.

Daroch, M., Geng, S., & Wang, G. (2013). Recent advances in liquid biofuel production from algal feedstocks. Applied Energy, 102, 1371–1381. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.07.031.

Darzins, A., Pienkos, P., & Edye, L. (2010). Current status and potential for algal biofuels production. https://doi.org/Report T39-T2.

Demirbas, A. (2009). Biorefineries, for biomass upgrading facilities. US: Springer. https://doi.org/10.1007/978-1-84882-721-9.

Deng, M., & Coleman, J. R. (1999). Ethanol synthesis by genetic engineering in cyanobacteria. Applied and Environmental Microbiology, 65(2), 523–528.


Dexter, J., Armshaw, P., Sheahan, C., & Pembroke, J. T. (2015). The state of autotrophic ethanol production in Cyanobacteria. Applied Microbiology, 11–24. https://doi.org/10.1111/jam.12821.

Dragone, G., Fernandes, B. D., Abreu, A. P., Vicente, A. A., & Teixeira, J. A. (2011). Nutrient limitation as a strategy for increasing starch accumulation in microalgae. Applied Energy, 88(10), 3331–3335. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.03.012.

Dragone, G., Fernandes, B., Vicente, A., & Teixeira, J. (2010). Third generation biofuels from microalgae. Current Research, Technology and Education Topics in Applied Microbiology and Microbial Biotechnology, 1355–1366.

Ethanol history-From alcohol to car fuel. (t.t.). Diakses dari http://ethanol-history.com/ pada 14 Mei 2018.

Ethanol plants in troubles as Vietnam’s plan to boost biofuel fails. (2016, 6 April). Tuoi Tre News, Ministry of Information and Communications of the Socialist Republic of Vietnam. Diakses dari https://tuoitrenews.vn/business/34126/ethanol-plants-in-troubles-as-vietnams-plan-to-boost-biofuel-fails.

Eudes, A., George, A., Mukerjee, P., Kim, J. S., Pollet, B., Benke, P. I., … Loque, D. (2012). Biosynthesis and incorporation of side-chain-truncated lignin monomers to reduce lignin polymerization and enhance saccharification. Plant Biotechnology, 10, 609–620. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2012.00692.x.

Farrell, A. E., Plevin, R. J., Turner, B. T., Jones, A. D., O'hare, M., & Kammen, D. M. (2006). Ethanol can contribute to energy and environmental goals. Science, 311(5760), 506–508.

Forbes, R. J. (1971). A short history of the art of distillation: From the beginnings up to the death of Cellier Blumenthal (2nd rev. ed). Leiden: Brill.

Fu, C., Mielenz, J. R., Xiao, X., Ge, Y., Hamilton, C. Y., & Rodriguez, M. (2011). Genetic manipulation of lignin reduces recalcitrance and improves ethanol production from switchgrass. Plant Biology, 108(9), 3803–3808. https://doi.org/10.1073/pnas.1100310108.

Gupta, R. B. (2010). Review of “gasoline, diesel and ethanol biofuels from grasses and plants.” Cambridge: Cambridge University Press. https://doi.org/10.2514/1.52159.


Harun, R., Yip, J. W. S., Thiruvenkadam, S., Ghani, W. A. W. A. K., Cherrington, T., & Danquah, M. K. (2014). Algal biomass conversion to bioethanol-a step-by-step assessment. Biotechnology Journal, 9(1), 73–86. https://doi.org/10.1002/biot.201200353.

Hisano, H., Nandakumar, R., & Wang, Z. (2009). Genetic modification of lignin biosynthesis for improved biofuel production, 306–313. https://doi.org/10.1007/s11627-009-9219-5.

John, R. P., Anisha, G. S., Nampoothiri, K. M., & Pandey, A. (2011). Micro and macroalgal biomass: A renewable source for bioethanol. Bioresource Technology, 102(1), 186–193. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.06.139.

Joseph, K., & Sandoval, L. (2017). Argentina - biofuels annual. Global Agricultural Information Network.

Jung, J. H., Fouad, W. M., Vermerris, W., Gallo, M., & Altpeter, F. (2012). RNAi suppression of lignin biosynthesis in sugarcane reduces recalcitrance for biofuel production from lignocellulosic biomass. Plant Biotechnology, 10, 1067–1076. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2012.00734.x.

Kalluri, U. C., Yin, H., Yang, X., & Davison, B. H. (2014). Systems and synthetic biology approaches to alter plant cell walls and reduce biomass recalcitrance. Plant Biotechnology, 12, 1207–1216. https://doi.org/10.1111/pbi.12283.

Kavitha, C., Ashokkumar, V., Chinnasamy, S., Bhaskar, S., & Rengasamy, R. (2014). Pretreatment of lipid extracted Botryococcus braunii spent biomass for bio ethanol production. International Journal of Current Biotechnology, 2(1), 11–18.

Kraan, S. (2013). Pigments and minor compounds in Algae. Dalam Functional ingredients from algae for foods and nutraceuticals (205–251). Woodhead Publishing Limited. https://doi.org/10.1533/9780857098689.1.205.

Krido, S., Taufika, V., Darsih, C., & Pratiwi, D. (2015). Optimization of simultaneous saccharification and fermentation incubation time using cellulose enzyme for sugarcane bagasse on the second-generation bioethanol production technology. Energy Procedia, 65, 331–336. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.01.061.

Kumar, K., Mishra, S. K., Shrivastav, A., Park, M. S., & Yang, J. W. (2015). Recent trends in the mass cultivation of algae in raceway ponds. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 51, 875–885. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.06.033.


Lewis, D. E. (2002). The beginnings of synthetic organic chemistry : Zinc alkyls and the kazan ’ School. Bull. Hist. Chem. 27(1), 37.

Li, K., Liu, S., & Liu, X. (2014). An overview of algae bioethanol production. International Journal of Energy Research, 38(8). https://doi.org/10.1002/er.3164.

Li, P., Song, Y., & Yu, S. (2014). Removal of Microcystis aeruginosa using hydrodynamic cavitation: Performance and mechanisms. Water Research, 62, 241–248. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.05.052.

Liska, A. J., Yang, H. S., Bremer, V. R., Klopfenstein, T. J., Walters, D. T., Erickson, G. E., & Cassman, K. G. (2009). Improvements in life cycle energy efficiency and greenhouse gas emissions of corn-ethanol. Journal of Industrial Ecology, 13(1), 58–74. DOI: 10.1111/j.1530-9290.2008. 00105.x.

Lu, J., Sheahan, Co., & Fu, P. (2011). Metabolic engineering of algae for fourth generation biofuels production energy & metabolic engineering of algae for fourth generation biofuels production. Energy & Environmental Science, 4(July), 2451. https://doi.org/10.1039/C0EE00593B.

Luan, G., Qi, Y., Wang, M., Li, Z., Duan, Y., Tan, X., & Lu, X. (2015). Combinatory strategy for characterizing and understanding the ethanol synthesis pathway in cyanobacteria cell factories. Biotechnology for Biofuels, 8(189), 1–12. https://doi.org/10.1186/s13068-015-0367-z.

Macke, Y., & Ward, M. (2017). People Republic of China, Biofuels Annual: Growing interest for ethanol brightens prospects. USDA Foreign Agriculture Service. Diakses dari https://apps.fas.usda.gov/newgainapi/api/report/downloadreportbyfilename?filename=Biofuels%20Annual_Beijing_China%20-%20Peoples%20Republic%20of_10-20-2017.pdf.

Mata, T. M., Martins, A. A., & Caetano, N. S. (2010). Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(1), 217–232. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.07.020.

Milledge, J. J., Smith, B., Dyer, P. W., & Harvey, P. (2014). Macroalgae-derived biofuel: A review of methods of energy extraction from seaweed biomass, Energies, 7(11), 7194–7222. https://doi.org/10.3390/en7117194.

Monceaux, D. (2009). Alternative feedstocks for fuel ethanol production. Dalam W. . Ingledew, D. Kelsall, G. Austin, & C. Kluhspies (Eds.), The Alcohol Textbook (Fifth, 47–71). London: Nottingham University Press.


Mussatto, S. I., Dragone, G., Guimaraes, P. M. R., Silva, J. P. A., Carneiro, L. M., Roberto, I. C., … Teixeira, J. A. (2010). Technological trends, global market, and challenges of bio-ethanol production. Biotechnology Advances, 28(6), 817–830. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2010.07.001.

Naik, S. N., Goud, V. V., Rout, P. K., & Dalai, A. K. (2010). Production of first and second generation biofuels: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(2), 578–597. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.10.003.

Ozcimen, D., & Inan, B. (2015). An overview of bioethanol production from algae. Dalam Biofuels-Status and Perspective, 141–162. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/59305.

Pikunas, A., Pukalskas, S., & Grabys, J. (2003). Influence of composition of gasoline – ethanol blends on parameters of internal combustion engine. Journal of KONES Internal Combustion Engines, 10, 3–4.

Preechajarn, S., & Prasertsri, P. (2017). Thailand Biofuels Annual 2017. Global Agricultural Information Network (Vol. TH9047).

PT Pertamina. (2011). Revitalisasi program bioenergi: Implementasi komersialisasi BBN.

Purwanto, Heru. (2017, 19 Desember). Indonesia to Experiment Use of Bioethanol Fuel. Antara News. Diakses dari https://en.antaranews.com/news/113943/indonesia-to-experiment-use-of-bioethanol-fuel.

Renewable Fuels Association (RFA). (2016). Fueling a High Octane Future: 2016 Ethanol Industry Outlook. Washington, DC: RFA.

Ritslaid, K., Küüt, A., & Olt, J. (2010). State of the art in bioethanol production. Agronomy Research, 8(1), 236–254.

Saha, B. C., Yoshida, T., Cotta, M. A., & Sonomoto, K. (2013). Hydrothermal pretreatment and enzymatic saccharification of corn stover for efficient ethanol production. Industrial Crops & Products, 44, 367–372. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2012.11.025.

Sementa, P., Maria Vaglieco, B., & Catapano, F. (2012). Thermodynamic and optical characterizations of a high performance GDI engine operating in homogeneous and stratified charge mixture conditions fueled with gasoline and bio-ethanol. Fuel, 96, 204–219. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.12.068.

Science and Islam. (2002). London: Al-Khilafah Publications Suite 298.Sheil, D., Casson, A., Meijaard, E., Van Noordwijk, M., Gaskell, J.,

Sunderland-Groves, J., ... & Kanninen, M. (2009). The impacts and opportunities of oil palm in Southeast Asia: What do we know and


what do we need to know? (Vol. 51). Bogor, Indonesia: Center for Inter national Forestry Research. https://doi.org/10.17528/cifor/002792.

Shen, H., Poovaiah, C. R., Ziebell, A., Tschaplinski, T. J., Pattathil, S., Gjersing, E., ...Chen, F. (2013). Enhanced characteristics of genetically modified switchgrass (Panicum virgatum L.) for high biofuel pro-duction. Biotechnology for Biofuels, 6(1), 71.

Singh, A., Nigam, P. S., & Murphy, J. D. (2011). Mechanism and challenges in commercialisation of algal biofuels. Bioresource Technology, 102(1), 26–34. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.06.057.

Sudiyani, Y. (2015, March). Pengolahan limbah lignoselulosa. Info Sawit.Suganya, T., Varman, M., Masjuki, H. H., & Renganathan, S. (2016).

Macroalgae and microalgae as a potential source for commercial applications along with biofuels production: A biorefinery approach. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 55, 909–941. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.11.026.

Szulczyk, K. R. (2010). Which is a better transportation fuel – butanol or ethanol ? International Journal of Energy and Environment, 1(1), 1–12.

Thu, P., & Trang, H. (2017). Removing RON 92 petrol, the consumption of E5 bio-fuel will be sharply increase.

Turner, D., Xu, H., Cracknell, R. F., Natarajan, V., & Chen, X. (2011). Combustion performance of bio-ethanol at various blend ratios in a gasoline direct injection engine. Fuel, 90(5), 1999–2006. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.12.025.

Ulum, M. (2014, 2 Juli). Energi agro kantongi izin ekspor bioetanol 20.000 KL. Bisnis.com. Diakses dari https://bali.bisnis.com/read/20140702/ 44/240522/energi-agro-kantongi-izin-ekspor-bioetanol-20.000-kl.

Velazquez-lucio, J., Rodríguez-jasso, R. M., Colla, L. M., Sáenz-galindo, A., Cervantes-, D. E., Aguilar, C. N., … Ruiz, H. A. (2018). Microalgal biomass pretreatment for bioethanol production: A review. Biofuel Research Journal, 17, 780–791. https://doi.org/10.18331/BRJ2018.5.1.5.

Voloshin, R. A., Rodionova, M. V., Zharmukhamedov, S. K., Nejat Veziroglu, T., & Allakhverdiev, S. I. (2016). Review: Biofuel production from plant and algal biomass. International Journal of Hydrogen Energy, 41(39), 17257–17273. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.07.084.

Wahono, S. K., Rosyida, V. T., Darsih, C., Pratiwi, D., Frediansyah, A., & Hernawan. (2015). Optimization of simultaneous saccharification and fermentation incubation time using cellulose enzyme for sugarcane bagasse on the second-generation boethanol production technology.


Energy Procedia, 65, 331–336. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.01.061.

Wan, C., Alam, A., Zhao, X., Zhang, X., Guo, S., Ho, S., … Bai, F. (2014). Bioresource technology current progress and future prospect of microalgal biomass harvest using various flocculation technologies. Bioresource Technology, 1–7. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.11.081.

Wright, T., & Rahmanulloh, A. (2016). Indonesia biofuels annual 2016. Jakarta: United States Department of Agriculture.

Wu, M. (2008). Analysis of the efficiency of the US ethanol industry 2007. Center for Transportation Research, Argonne National Laboratory.

Zhang, W., & Geng, A. (2012). Improved ethanol production by a xylose- fermenting recombinant yeast strain constructed through a modified genome shuffling method. Biotechnology for Biofuels, 5(46), 1–11.

Zheng, X., Leaver, M. J., & Tocher, D. R. (2009). Long-chain polyunsaturated fatty acid synthesis in fish: Comparative analysis of Atlantic salmon (Salmo salar L.) and Atlantic cod (Gadus morhua L.) Δ6 fatty acyl desaturase gene promoters. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology, 154(3), 255–263.

47

3BIOMASSA LIGNOSELUlOSA

DAN POTENSINYA SEBAGAI BAHAN BAKU BIOETANOL GENERASI DUA

Muryanto, Eka Triwahyuni, dan Yanni Sudiyani

A. Biomassa LignoselulosaIndonesia memiliki potensi biomassa yang besar, terutama biomassa lignoselulosa. Hal ini dihasilkan dari aktivitas pertanian, perke-bunan, dan pengolahan pascapanen, baik sebagai hasil samping maupun sebagai limbah. Potensi biomassa lignoselulosa ini belum digunakan secara optimal dan umumnya hanya digunakan sebagai mulsa (penutup lahan pertanian/perkebunan) atau dibakar di udara terbuka sehingga dapat menghasilkan emisi gas rumah kaca, baik dalam bentuk metan maupun karbondioksida (Wiloso, Triwahyuni, Barlianti, & Muryanto, 2010). Bab ini membahas kandungan dalam biomassa lignoselulosa, seperti selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Selain itu, dibahas juga potensi bioetanol yang dapat dihasilkan dari biomassa lignoselulosa.

B. Komponen Biomassa LignoselulosaBiomassa lignoselulosa merupakan bahan baku yang dapat diper-barui, melimpah, dan terdapat pada tanaman yang tersebar luas di


permukaan bumi. Tanaman ber-lignoselulosa dapat dibagi menjadi tiga kelompok besar. Pertama kelompok kayu keras (hardwood), contohnya kayu jati dan mahoni. Kedua, kayu lunak (softwood), contohnya kayu pinus. Ketiga, kelompok tanaman herbaceous, contohnya rumput-rumputan. Biomassa lignoselulosa terdiri atas komponen selulosa dan hemiselulosa (disebut dengan holose-lulosa), lignin, senyawa ekstraktif, dan mineral yang jumlahnya bervariasi tergantung sumbernya (Mabee, McFarlane, & Saddler, 2011). Selulosa, hemiselulosa, dan lignin membentuk struktur yang disebut mikrofibril, yang kemudian bergabung menjadi makrofibril. Struktur inilah yang menyebabkan dinding sel tanaman menjadi stabil dan kuat (Rubin, 2008).

1. SelulosaSelulosa adalah karbohidrat alami yang termasuk golongan polisaka-rida dan menjadi komponen utama dalam setiap struktur tanaman. Jumlah selulosa hasil fotosintesis tanaman diperkirakan mencapai 7,5x1010 ton per tahun (McKendry, 2002). Selulosa terdiri atas unit monomer D-glukosa yang terikat melalui ikatan β-1-4-glikosidik. Derajat polimerasi (DP) selulosa bervariasi antara 7.000–15.000 unit glukosa, tergantung bahan asalnya. Rumus bangu n struktur molekul selulosa pada Gambar 3.1.

Sumber: Digambar ulang berdasarkan Klemm, Philipp, Heinze, Heinze, dan Wagenknecht (1998)

Gambar 3.1 Rumus Bangun Struktur Molekul Selulosa

Biomassa Lignoseluosa dan ... 49

Selulosa cenderung membentuk mikrofibril melalui ikatan inter dan intramolekuler sehingga memberikan ikatan kuat dan struktur yang sukar larut. Mikrofibril selulosa terdiri atas dua tipe, yaitu kristalin dan amorf (Knauf & Moniruzzaman, 2004). Kristalin dari selulosa merupakan struktur yang semua atomnya mempunyai posisi tetap. Kumpulan kristalin selulosa merupakan kumpulan mikrofibril yang tersusun kuat dan secara alami mencegah penetrasi molekul yang lebih kecil, seperti air. Hal ini mengakibatkan selulosa sukar larut di dalam air walaupun dengan pelarut organik. Selain itu, selulosa tidak dapat dicerna manusia dan mamalia. Struktur amorf pada selulosa mempunyai susunan yang tidak teratur. Efek dari struktur serat selulosa heterogen ini menyebabkan hanya sebagian kecil serat selulosa yang dapat dipenetrasi oleh molekul yang lebih besar, seperti enzim. Makhluk hidup yang mampu mencerna selulosa adalah makhluk hidup yang menghasilkan enzim selulase, misalnya jamur, bakteri, dan invertebrata seperti rayap (Judoamidjojo, Said, & Hartoto, 1989).

2. HemiselulosaHemiselulosa merupakan heteropolisakarida rantai cabang dari polisakarida. Hemiselulosa memiliki rantai utama lurus yang ter-susun atas silosa, dan rantai cabang yang tersusun atas gula pentosa (C5) dan gula heksosa (C6). Gula pentosa terdiri atas D-silosa dan D-arabinose, sementara gula heksosa terdiri atas D-glukosa, D-mannosa, dan D-galaktosa, dengan rumus bangun seperti pada Gambar 3.2.

Hemiselulosa memiliki karakteristik yang berbeda dengan selulosa. Bobot molekul hemiselulosa lebih kecil, lebih mudah menyerap air, bersifat plastis, dan mempunyai permukaan kontak antarmolekul yang lebih luas dibandingkan selulosa (Judoamidjojo dkk., 1989). Ikatan dalam rantai hemiselulosa


banyak bercabang karena gugus β-glukosida dalam molekul yang satu berikatan dengan gugus hidroksil C2, C3, dan C4 dari molekul yang lain. Derajat polimerisasi dari hemiselulosa antara 20 sampai 300.

Serat hemiselulosa berbentuk amorf dan tidak membentuk daerah kristalin. Hal ini menyebabkan hemiselulosa lebih mudah dihidrolisis menjadi gula. Hidrolisis hemiselulosa dengan asam kuat encer akan menghasilkan gula heksosa dan pentosa, seperti silosa, arabinose, dan sedikit glukosa (González, López‐Santín, Caminal, & Solà, 1985). Hidrolisis lebih lanjut akan menghasilkan furfural dan produk terdekomposisi lainnya (Gong, Chen, Flickinger, & Tsao, 1981). Gula pentosa (C5) sulit difermentasi menjadi etanol (Mussatto & Roberto, 2004). Oleh karena itu, diperlukan enzim dan ragi yang spesifik untuk mengonversi hemiselulosa menjadi etanol.

D-glucose

D-arabinose

D-galaktosa

D-xylose

D-mannose

Sumber: Digambar ulang dari Tester dan Karkalas (2003)

Gambar 3.2 Beberapa Gula Penyusun Hemiselulosa


3. LigninLignin merupakan senyawa polimer yang berikatan dengan selulosa dan hemiselulosa pada jaringan tanaman. Lignin berfungsi sebagai perekat sehingga memberi sifat yang kuat, kaku, dan keras pada struktur tanaman. Lignin tersusun oleh banyak senyawa sehingga memiliki struktur kompleks (Novikova, Medvedeva, Volchatova, & Bogatyreva, 2002). Contoh struktur lignin dapat dilihat pada Gam-bar 3.3. Lignin bukan polisakarida, melainkan senyawa polimer tiga dimensi yang terdiri atas fenilphropanoid berupa unit guasil (G) dari prekusor trans koniferil alkohol, unit siringil (S) dari prekusor trans sinafil alkohol, dan unit p-hidroksil fenil (H) dari prekursor trans p-kumaril alkohol. Ketiganya dihubungkan dengan beberapa ikatan berbeda antara ikatan C-O-C dan C-C. Guasil terdapat pada hampir semua lignin dari kayu lunak, sedangkan guasil dan siringil terdapat pada lignin dari kayu keras (Santos, Hart, Jameel, & Chang, 2013). Struktur guasil, siringil, dan hidroksil fenil pada lignin

Sumber: Digambar ulang dari Santos dkk. (2013); Zakzeski, Bruijnincx, Jongerius, dan Weckhuysen (2010)

Gambar 3.3 Gugus Struktur dan Fungsional Lignin Kayu Lunak (a) dan Kayu Keras (b)

Fragmen kumaril alkohol (H)

Fragmen koniferil (G)

sinafil alkohol (S)

Fragmen koniferil (G)

(a) (b)


ditunjukkan pada Gambar 3.3. Secara alamiah, lignin berfungsi melindungi komponen lain. Jika masih ada lignin, tidak mudah menghidrolisis selulosa dan hemiselulosa. Ketahanan terhadap hidrolisis ini disebabkan oleh adanya ikatan eter (Higuchi, 2004).

Lignin adalah polimer dari gugus aromatik dan bukan merupakan polimer gula. Lignin dan monomernya tidak bisa difermentasi menjadi bioetanol. Pada proses konversi biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol, lignin menjadi penghalang dalam proses hidrolisis. Oleh karena itu, perlu perlakuan awal untuk menghancurkan ikatan lignin agar konversi polisakarida menjadi bioetanol G2 optimal.

4. Senyawa EkstraktifZat ekstraktif adalah komponen di luar dinding sel biomassa lignoselulosa yang dapat dipisahkan dari dinding sel. Zat ekstraktif terdiri atas berbagai jenis komponen senyawa organik, seperti terpen (minyak yang mudah menguap), asam lemak dan esternya, lilin, alkohol polihidrik, mono dan polisakarida, alkaloid, dan komponen aromatik. Kandungan zat ekstraktif dalam biomassa lignoselulosa biasanya kurang dari 10% (Sjöström, 1993a). Selain itu, zat ekstraktif juga dapat memberikan warna dan bau pada kayu (Fengel & Wegener, 1995).

5. Mineral Mineral berasal dari berbagai garam yang terendapkan dalam din-ding sel, lumen, dan beberapa terdapat dalam rongga sel (Sjöström, 1993b). Menurut Fengel dan Wegener (1995), komponen mineral utama dalam kayu adalah Ca, K dan Mg, diikuti Mn, Na, P dan Cl. Kandungan mineral pada abu beberapa biomassa lignoselulosa dapat dilihat pada Tabel. 3.1.


Tabel 3.1 Komposisi Kandungan Abu pada Beberapa Biomassa Lignoselulosa

Biomassa Lignoselulosa

SiO2(%)

CaO(%)

K2O(%)

P2O5(%)

Al2O3(%)

MgO(%)

Fe2O3(%)

SO3(%)

Na2O(%)

TiO2(%)

Tanaman Kayu

Kulit Eucalyptus 10,04 57,74 9,29 2,35 3,1 10,91 1,12 3,47 1,86 0,12

Kulit poplar 1,86 77,31 8,93 2,48 0,62 2,36 0,74 0,74 4,84 0,12

Sisa kayu 53,15 11,66 4,85 1,37 12,64 3,06 6,24 1,99 4,47 0,57

Biomassa Pertanian

Sorgum manis 66,85 10,41 4,49 3,47 0,81 3,12 0,58 3,47 1,47 0,06

Jerami gandum 50,35 8,21 24,89 3,54 1,54 2,74 0,88 4,24 3,52 0,09

Bagas tebu 46,79 4,91 6,95 3,87 14,6 4,56 11,12 3,57 1,61 2,02

Sumber: Kang, Appels, Tan, dan Dewil (2014)

C. Sumber Biomassa Lignoselulosa dan Potensinya di Indonesia

Biomassa dapat diklasifikasikan menjadi enam jenis berdasarkan sumbernya, yaitu sebagai berikut. 1) limbah hutan, seperti ranting dan daun; 2) limbah pertanian, contohnya sekam padi dan jerami; 3) limbah domestik, misalnya limbah organik perkotaan; 4) tanaman energi, seperti pohon jarak;5) limbah industri, contohnya ampas gergaji dan potongan kayu; 6) limbah kelautan dan perikanan, seperti rumput laut dan alga

(Sheeba & Prakash, 2015). Pembahasan sumber biomassa di sini difokuskan pada biomassa dari limbah pertanian, kehutanan, dan limbah perkebunan yang berpotensi untuk digunakan sebagai bahan baku bioetanol G2. Meskipun variasi jenis limbah biomassa yang dapat digunakan

sebagai sumber bahan baku bioetanol G2 sangat luas, pemilihannya


harus memperhatikan aspek teknis ekonomis dan aspek lingkung-an. Aspek teknis ekonomis meliputi 1) komposisi kimia biomassa; 2) proses budi daya; 3) penggunaan sumber daya, terutama energi; 4) biaya bahan baku, termasuk biaya logistik dan penyimpanan biomassa; dan 5) penciptaan atau pemertahanan lapangan kerja. Aspek lingkungan mencakup emisi gas rumah kaca serta penyera-pan mineral dan air tanah (Balat & Balat, 2009).

Bioetanol yang dihasilkan dari biomassa lignoselulosa ter-gantung pada kandungan selulosa dan hemiselulosa pada bahan tersebut. Menurut Badger (2002), secara teoretis, 1 kg glukosa atau silosa dapat menghasilkan 0,51 kg etanol dengan hasil samping gas karbon dioksida sebanyak 0,46 kg. Proses fermentasi glukosa dan silosa menjadi bioetanol dapat digambarkan dengan persamaan reaksi berikut.

( )6 12 6 2 5 22 2C H O C H OH etanol CO→ + (1)

5 10 5 2 5 23 5 5C H O C H OH CO→ + (2)

Konversi teoretis dari biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol dapat dihitung dengan persamaan (Dowe & Mcmillan, 2008).

Bioetanol dari selulosa (kg etanol/kg selulosa)

1,11 0,51selulosaM= × × (3)

Bioetanol dari hemiselulosa (kg etanol/kg hemiselulosa)

1,136 0,51hemiselulosaM= × × (4)

M = massa selulosa/hemiselulosa (kg)1,11 = konversi selulosa menjadi glukosa1,136 = konvesi hemiselulosa menjadi silosa0,51 = konversi glukosa menjadi etanol


Nilai perolehan bioetanol secara eksperimen dihitung dengan persamaan

Perolehan Bioetanol Selulosa PerolehanTeoritis Efisiensi Hidrolisis Efisiensi Fermentasi

=

× × ×

(Badger, 2002).

Perkiraan bioetanol yang dapat dihasilkan dari 1 kg biomassa lignoselulosa dengan kandungan selulosa sebanyak 45% dan he-miselulosa 29%, ditunjukkan pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2 Perolehan Bioetanol dari Glukosa dan Silosa

Bioetanol dari glukosa Bioetanol dari silosa

Bahan kering lignoselulosa

1 kg Bahan kering 1 kg

Kandungan Selulosa × 0,45 Kandungan Hemiselulosa

× 0,29

Konversi selulosa menjadi glukosa

×1,11 Konversi selulosa menjadi glukosa

× 1,136

Efisiensi proses hidrolisis

× 0,76 Konversi hemiselulosa dan efisiensi

× 0,90

Konversi glukosa menjadi etanol

× 0,51 Bioetanol teoretis × 0,51

Efisiensi fermentasi glukosa

× 0,75 Efisiensi fermentasi silosa

× 0,50

Perolehan (yield) dari glukosa

0,145 kg bioetanol

Perolehan (yield) dari silosa

0,075 kg bioetanol

= 0,168 liter = 0,087 liter

Sumber: Dimodifikasi dari Badger (2002)

1. Limbah PertanianLimbah pertanian adalah bagian dari tanaman pertanian (batang, ranting atau pucuk) yang tersisa setelah dipanen atau diambil hasil utamanya. Limbah pertanian dapat digolongkan menjadi empat kelompok sebagai berikut.


1) limbah pertanian prapanen, contohnya daun, ranting, dan buah yang gugur

2) limbah pertanian saat panen, seperti jerami padi dan batang jagung

3) limbah pertanian pascapanen, misalnya kulit kacang-kacangan dan kulit buah

4) limbah industri pertanian, contohnya tongkol jagung

a. Limbah PadiLimbah tanaman padi yang cukup besar adalah jerami dan sekam padi. Jerami padi tersedia dalam jumlah cukup banyak dibanding-kan limbah pertanian lainnya. Pada pertanian tradisional, jerami padi umumnya dibakar di persawahan sebagai sumber mineral tanah. Selain itu, jerami padi juga digunakan sebagai tambahan untuk pakan dan pulp kertas (Jalaludin & Rizal, 2005). Komponen limbah padi terdiri atas selulosa, hamiselulosa dan lignin yang komposisinya dapat dilihat pada Tabel 3.3.

Setiap produksi 1 ton beras menghasilkan jerami padi dengan rasio 0,41–3,96. Sementara itu, sekam padi yang dihasilkan seba-nyak 20–33% (Kim & Dale, 2004; Lim, Manan, Rafidah, Wan Alwi, & Hashim, 2012; Quispe, Navia, & Kahhat, 2017). Produksi beras di Indonesia pada 2015 sebesar 75,40 juta ton (BPS, 2017). Artinya, apabila menggunakan rasio 1,4 untuk jerami padi, dan 0,22 untuk sekam padi, akan dihasilkan 105,56 juta ton jerami dan 16,58 juta ton sekam (Kim & Dale, 2004; Quispe dkk., 2017). Seperti telah dijelaskan, selama ini jerami dan sekam padi telah dimanfaatkan untuk keperluan lain sehingga tidak semua dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku bioetanol. Jika setengah dari jumlah jerami yang dibakar atau sekitar sepertiga dari total limbah dimanfaatkan sebagai bahan baku proses bioetanol, diperkirakan jerami dapat


menghasilkan 5,93 juta ton bioetanol, sementara sekam padi berpotensi menghasilkan 850 ribu ton bioetanol.

b. Limbah JagungJagung merupakan tanaman semusim yang dapat dibudidayakan pada lingkungan yang beragam. Oleh karena itu, hampir semua provinsi di Indonesia memiliki perkebunan jagung dengan tingkat produksi yang berbeda. Produksi jagung di Indonesia pada 2014 mencapai 19,61 juta ton (BPS, 2015). Tanaman jagung menghasil-kan limbah yang terdiri atas 25,65% kulit jagung, 3,48% tangkai jagung, dan 36,69% tongkol jagung (Hambali, Thahar, Nisyaw, Biladi, & Haryanto, 2015). Limbah jagung mengandung selulosa, hemiselulosa, dan lignin (Schwietzke, Kim, Ximenes, Mosier, & Ladisch, 2009). Tongkol jagung memiliki kandungan selulosa dan hemiselulosa yang lebih tinggi dibandingkan limbah jagung lain-nya (Tabel 3.3) sehingga lebih berpotensi untuk digunakan sebagai bahan baku bioetanol.

Pemanfaatan limbah jagung di industri hanya 1% dan 5%-nya digunakan sebagai pakan (Glassner, Hettenhaus, & Schechinger, 1999). Pada 2014, tanaman jagung menghasilkan limbah sebesar

Jerami padi Tongkol jagung yang sudah digiling

Sumber: Dokumentasi PP Kimia LIPI

Gambar 3.4 Limbah Pertanian


7,19 juta ton tongkol jagung. Tongkol jagung mengandung 42% se-lulosa dan 33% hemiselulosa. Setiap ton tongkol jagung berpotensi menghasilkan 197,8 kg bioetanol. Jika sepertiga dari limbah tongkol jagung ini dimanfaatkan sebagai bahan baku bioetanol, limbah tongkol jagung berpotensi memproduksi bioetanol sejumlah 474 ribu ton.

2. Limbah PerkebunanLimbah perkebunan dapat diartikan sebagai bahan yang terbuang dari sektor perkebunan. Beberapa limbah perkebunan yang akan dibahas adalah yang berpotensi untuk menghasilkan bioetanol.

a. Bagas TebuPerkebunan tebu di Indonesia terdiri atas perkebunan rakyat, swasta, dan perkebunan negara (PT Perkebunan Negara/PTPN). Pada 2015, produksi tebu di Indonesia mencapai 2,50 juta ton (BPS, 2015). Pada proses pembuatan gula akan dihasilkan limbah berupa tetes tebu dan bagas tebu. Tetes tebu dapat digunakan sebagai bahan baku bioetanol generasi satu, sedangkan bagas tebu termasuk dalam biomassa lignoselulosa karena mengandung 45–55% selulosa. Komposisi kimia bagas tebu dapat dilihat pada Tabel 3.3.Setiap 1 ton tebu yang diolah menjadi gula akan mengeluar-kan limbah bagas tebu sebanyak 600 kg bagasse kering (Kim & Dale, 2004). Berdasarkan jumlah produksi tebu tahun 2015, dihasilkan 1,5 juta ton limbah bagas. Dengan asumsi sepertiga jumlah limbah ini dimanfaatkan, limbah bagas ini berpotensi menghasilkan 96.000 ton bioetanol.

b. Tandan Kosong, Pelepah, dan Batang Kelapa SawitPada perkebunan kelapa sawit dihasilkan limbah berupa tandan kosong pelepah dan batang kelapa sawit. Tandan kosong kelapa


sawit diperoleh setelah tandan segar diproses di pabrik minyak sawit. Pelepah dan batang sawit umumnya diperoleh pada saat pemanenan dan penebangan pohon kelapa sawit yang sudah tidak produksi.

1) Tandan kosong sawit (TKS)Indonesia adalah produsen minyak sawit (crude palm oil/CPO) terbesar di dunia, dengan jumlah produksi 31,07 juta ton pada 2015 dan luas perkebunan sawit mencapai 11,26 juta hektare (BPS, 2017). Perkebunan kelapa sawit memiliki peranan penting dalam perekonomian Indonesia karena merupakan salah satu komoditas perdagangan terbesar di Indonesia. Perkebunan sawit menghasil-kan beberapa macam limbah, seperti batang, pelepah daun yang tua, cangkang, dan serat. Dalam beberapa proses pengolahan, proses pascapanen sawit menghasilkan berbagai macam limbah, seperti lumpur sawit, bungkil biji sawit, dan tandan kosong sawit (TKS). Beberapa limbah tersebut mengandung selulosa sehingga berpotensi sebagai bahan baku bioetanol generasi dua (G2).

Pemisahan buah sawit dari tandan buah segar (TBS) dalam proses pengambilan minyak sawit (CPO) menghasilkan limbah TKS dalam jumlah besar. Setiap hektare perkebunan kelapa sawit mempunyai produktivitas hingga 6–7 ton CPO (Sheil dkk., 2009). Dalam produksi satu ton CPO dihasilkan 1,1–1,2 ton TKS (Sudiyani dkk., 2013).

TKS mengandung selulosa (41,36–46,5%), hemiselulosa (25,3–33,8%) dan lignin (24–28%). Pada 2014, produksi CPO di Indonesia mencapai 18,6 juta ton (BPS, 2015) sehingga TKS yang dihasilkan sebesar 37,28 juta ton. Jika sepertiga limbah TKS dimanfaatkan, berpotensi untuk menghasilkan 2,36 juta ton bioetanol per tahun.


2) Pelepah SawitPelepah kelapa sawit merupakan salah satu limbah yang dihasilkan perkebunan kelapa sawit. Ketika tandan buah segar akan dipanen, beberapa pelepah akan dipangkas untuk mempermudah proses pemanenan. Ketika daun kelapa sawit telah tua, pelepah dengan sendirinya akan gugur dari pohon kelapa sawit. Setiap hektar perkebunan kelapa sawit akan menghasilkan 10,88 ton pelepah kelapa sawit dalam kondisi basah atau 3,62 ton pelepah kering per tahun (Kelly-Yong, Lee, Mohamed, & Bhatia, 2007). Perkebunan sawit di Indonesia pada 2014 mencapai 11,26 juta hektar dan menghasilkan 40,76 juta ton pelepah kering. Komposisi selulosa dan hemiselulosa pada pelepah masing-masing adalah 24,9% dan 14,1% (Dahnum, Styarini, Sudiarmanto, Muryanto, & Abimanyu, 2013). Pemanfaatan sepertiga dari limbah pelepah kelapa sawit tersebut berpotensi menghasilkan 1,75 juta ton bioetanol per tahun.

3) Batang SawitSetiap 25 tahun sekali pohon kelapa sawit akan diregenerasi karena produktivitas buahnya sudah menurun (Yamada dkk., 2010). Ketika pohon-pohon tua ditebang akan dihasilkan 160 ton batang dari setiap hektar perkebunan kelapa sawit. Batang kelapa sawit dapat digunakan sebagai bahan tambahan pada industri kayu lapis. Batang juga dapat digunakan sebagai bahan bakar boiler pada pabrik kelapa sawit (Sumathi, Chai, & Mohamed, 2008). Berbeda dengan batang pohon pada umumnya, batang pohon sawit bagian atas (sejauh 5 pelepah dari pucuk) memiliki kandungan cairan yang cukup tinggi, yakni 60–80%. Cairan ini mengandung gula yang didominasi oleh glukosa, sukrosa, dan fruktosa (Kosugi dkk., 2010; Yamada dkk., 2010). Cairan ini dapat difermentasi langsung menjadi bioetanol. Batang pohon sawit, setelah proses pengepresan cairan, mengandung selulosa (50,78%), hemiseluosa (30,36%),


Bagas tebu TKS Pelepah sawit

Gambar 3.5 Limbah Perkebunan

Tabel 3.3 Kandungan Selulosa dan Hemiselulosa Limbah Pertanian dan Perkebunan

Tipe Selulosa Hemiselulosa LigninJerami Padia,b,c) 37–41% 25–30% 15–24%Sekam Padid,e,f) 35–39% 13–17% 26–31%Tongkol Jagungg) 39–43% 29–33% 18–26%Bagas tebuh) 48–52% 23–27% 18–24%TKSi) 40–44% 26–30% 27–32%Pelepah Sawitj) 23–31% 12–19% 28–32%Batang Sawitd) 50,78% 30,36% 17,87%

Sumber: a) Lim dkk. (2012); b) Wyman (1999); c) Yoswathana, Phuriphipat, Treyawutthiwat, dan Estiaghi (2010); d) Leiva dkk. (2007); e) Stefani, Garcia, Lopez, dan Jimenez (2005); f) Gerardi, Minelli, dan Viggiano (1998); g) Lloyd dan Wyman (2005); h) Rainey, Doherty, Martinez, Brown, dan Kelson; (2009); i) Sudiyani dkk. (2013); j) Dahnum dkk. (2013).

dan lignin (17,87%) (Lai & Idris, 2013). Kandungan selulosa yang tinggi dapat dijadikan sumber bahan baku bioetanol generasi dua. Meskipun batang sawit memiliki dua sumber sebagai bahan baku bioetanol, yakni cairan dan serat, batang sawit tidak diproduksi setiap tahun.


3. Sampah Padat Organik PerkotaanSampah padat organik perkotaan biasanya terdiri atas limbah rumah tangga, sampah padat kawasan industri, dan sampah pasar. Limbah rumah tangga umumnya berupa kertas, plastik, dan sisa makanan. Limbah plastik dapat diproses atau digunakan kembali. Sementara itu, limbah berupa kertas, yang tidak dapat digunakan kembali, berpotensi untuk diubah menjadi energi. Kertas mengandung selulosa (40–55%), hemiselulosa (25–40%), dan lignin (18–30%) yang dapat dijadikan bahan baku bioetanol (Jørgensen, Kristensen, & Felby, 2007). Berdasarkan potensi limbah biomassa lignoselulosa tersebut, prediksi bioetanol yang dapat dihasilkan dapat dilihat pada Tabel 3.4. Tabel 3.4 Potensi Bioetanol dari Limbah Biomassa Lignoselulosa di Indonesia

BiomassaJumlah limbah

(juta ton)*

Bioetanol dari selulosa(juta ton)**

Bioetanol dari

hemiselulosa (juta ton)**

Total potensi bioetanol (juta ton)

Jerami padi 35,18 4,10 1,83 5,93Sekam padi 5,52 0,59 0,25 0,85Tongkol jagung 2,39 0,28 0,18 0,47Bagas tebu 0,5 0,07 0,03 0,10TKKS 12,42 1,52 0,84 2,36Pelepah kelapa sawit 13,58 1,22 0,53 1,75Total 11,46

Keterangan: * 1/3 dari jumlah potensi limbah di Tahun 2014, **perhitungan berdasarkan Badger (2002)

Sumber: Dimodifikasi dari Badger (2002)

D. Karakterisasi Fisik dan Analisis Kimia Biomassa Lignoselulosa

Biomassa lignoselulosa yang dapat dijadikan sumber bahan baku bioetanol G2 ialah yang kandungan selulosa-nya tinggi. Oleh karena itu, kandungan komponen pada lignoselulosa perlu dianalisis sebe-


lum diproses sebagai bahan baku bioetanol. Selain itu, diperlukan juga analisis komponen penting pada setiap tahapan proses pem-buatan bioetanol. Pada proses perlakukan awal, dilakukan analisis kadar lignin, selulosa, dan hemiselulosa. Pada proses sakarifikasi, nilai gula selulosa (glukosa dan silosa) dianalisis, sementara kadar etanol dan sisa gula (glukosa dan silosa) dianalisis pada proses fermentasi. Semua analisis ini diperlukan untuk mengevaluasi efisiensi setiap tahapan proses.

Analisis fisik dan kimia pada proses pembuatan bioetanol G2 ditujukan untuk dua hal pokok. Pertama, untuk mengetahui kualitas bahan baku dan produk etanol; produk harus memenuhi kriteria etanol sebagai bahan bakar (Lihat Tabel 3.5). Kedua, untuk

Tabel 3.5 Syarat Mutu Bioetanol untuk Campuran BBM

Parameter Uji Satuan min/maks Persyaratana)

Kadar etanol b) % v/v, min 99,5 (setelah didenaturasi dengan denatonium benzoate); 94,0 (setelah didenaturasi dengan hidrokarbon)

Kadar methanol % v/v, maks 0,5Kadar air % v/v, maks 0,7Kadar denaturan hidrokarbon atau Denatorium benzoate

% v/vmg/l

2–54–10

Tampakan Jernih dan terang, tidak ada endapan dan kotoran

Kandungan belerang (S) mg/l, maks 50

Keterangan:

a) Jika tidak diberikan catatan khusus, nilai batasan (spesifikasi) yang tertera adalah nilai untuk bioetanol yang sudah didenaturasi dan akan dicampurkan ke dalam bensin pada kadar sampai dengan 10% v/v

b) Fuel Grade Ethanol (FGE) umumnya memiliki berat jenis dalam rentang 0,7936–0,7961 pada kondisi 15,56oC atau dalam rentang 0,7871–0,7896 pada kondisi 25oC, diukur dengan piknometer atau hidrometri yang sudah sangat lazim diterapkan dalam industri alkohol.

Sumber: (SNI 7390:2012, 2012)


mengevaluasi perkembangan setiap proses sehingga bisa diketahui tahap mana yang sudah efisien dan efektif serta mana yang belum. Metode analisis yang perlu dilakukan pada proses pembuatan bioetanol generasi dua ditunjukkan pada Gambar 3.6.

1. Karakterisasi Sifat Fisik LignoselulosaKarakterisasi fisik dilakukan untuk melihat struktur, morfologi, dan ikatan kimia lignoselulosa sebelum dan sesudah perlakuan awal. Proses perlakuan awal yang baik adalah yang mampu me-ngu bah struktur dan morfologi lignoselulosa menjadi lebih mudah untuk diproses pada tahap berikutnya. Karakterisasi ini dilakukan menggunakan x-ray diffraction (XRD), brunauer, emmett, and teller (BET), fourier transform infra red (FTIR) dan scanning electron microscope (SEM).

Sumber: Digambar berdasarkan Kristiani, Effendi, Aristiawan, Aulia, dan Sudiyani (2015); Styarini, Risanto, Aristiawan, dan Sudiyani (2012); Ruiz dan Erhman (1996); Somogyi (1952); Miller (1959).

Gambar 3.6 Diagram Analisis pada Proses Pembuatan Bioetanol G2


Karakterisasi dengan x-ray diffraction (XRD) lazimnya dilaku-kan untuk mengetahui tingkat kristalinitas biomassa, terutama untuk menunjukkan derajat kristalisasi selulosa pada lignoselulosa. Derajat kristalisasi selulosa penting diketahui mengingat semakin tinggi derajat kristalisasinya, selulosa tersebut akan semakin sulit terhidrolisis (Al-Zuhair, 2008). Daerah kristalin tandan kosong kelapa sawit ditunjukkan pada puncak 2θ =13,3°–17,3° dan 2 θ = 18,4°–25,6°, sedangkan puncak 32,06°–36,26° merupakan ikatan crosslinking molekul selulosa (Kristiani dkk., 2015).

FTIR digunakan untuk menelaah struktur kimia dari biomassa lignoselulosa. Pada spektrum FTIR TKS, terdapat ikatan –OH (3417 cm-1), ikatan C-H (2924 cm-1), dan ikatan C-O (1041 cm-1) yang menunjukkan molekul selulosa, hemiselulosa, dan lignin (Barlianti dkk., 2015). TKKS yang telah menerima perlakukan awal mengalami penurunan intensitas spektrum pada ikatan –OH, ikatan CH2 simetri, ikatan grup hidroksil aromatik, dan ikatan C-O dibandingkan TKS yang belum menerima perlakuan awal. Hal ini menunjukkan bahwa telah terjadi perubahan struktur kimia pada TKS, seperti penurunan kadar lignin dan kristalinitas selulosa.

Karakterisasi dengan SEM bertujuan melihat perubahan mor-fologi permukaan dari partikel biomassa lignoselulosa. Morfologi partikel diperlukan untuk mengetahui apakah struktur lignoselulosa mudah dihidrolisis, baik secara enzimatis maupun kimia. Gambar 3.9 menunjukkan foto SEM TKS sebelum dan sesudah perlakuan awal dengan menggunakan larutan NaOH 10%. TKKS sesudah perlakuan awal mengalami perubahan morfologi, yakni cenderung rapuh dan berbentuk serat dibandingkan sebelum perlakuan awal yang memiliki struktur solid, utuh, kasar, dan kaku.


Sumber: Kristiani dkk. (2015)

Gambar 3.7 SEM TKS Sebelum (a) dan Sesudah Perlakuan Awal Kimia 10% NaOH (b)

(a) (b)

2. Analisis Komponen Kimia Analisis kimia dari biomassa lignoselulosa dapat dilakukan dengan beberapa metode seperti pada Tabel 3.6. Analisis ini dapat dilaku-kan pada setiap tahapan proses bioetanol generasi dua. Dengan adanya analisis ini, komposisi penyusun biomassa lignoselulosa yang akan dijadikan bahan baku bioetanol generasi dua dan kualitas bioetanol yang dihasilkan dapat diketahui.

Pada biomassa lignoselulosa, pengukuran kadar selulosa, hemiselulosa, dan lignin dapat dilakukan, baik dengan metode SNI maupun metode NREL. Pengukuran kadar lignin dan selulosa, baik dengan metode SNI maupun metode NREL, menghasilkan nilai yang relatif sama. Namun, nilai hemiselulosa akan menjadi lebih akurat jika menggunakan metode NREL (Styarini, Risanto, Aristiawan, & Sudiyani, 2012).

Analisis kimia yang perlu dilakukan dalam proses produksi bioetanol, yaitu analisis gula hasil sakarifikasi dan analisis etanol hasil fermentasi, distilasi, dan dehidrasi. Penentuan kadar gula pereduk si dapat dilakukan dengan Metode Nelson-Somogyi


Tabel 3.6 Metode Analisis Kimia pada Tahapan Proses Bioetanol Generasi Dua

No. Proses Analisis Metode Referensi1 Perlakuan

awalLignin, Selulosa, Hemiselulosa

Klason ligninkadar selulosa alfa, gama dan beta kadar holoselulosa

SNI 0492:2008SNI 0444:2009SNI 01-13031989

NREL Ruiz & Erhman, 1996.

2 Sakarifikasi Gula pereduksi Nelson-Somogyi Somogyi, 1952DNS Miller 1959

Glukosa, silosa HPLC/NREL Ruiz & Erhman, 1996.

3 Fermentasi Etanol AlkoholmeterNREL/HPLC Ruiz & Erhman,

1996.4 Distilasi dan

DehidrasiEtanol NREL/HPLC Ruiz & Erhman,

1996.Kadar air Karl-Fischer SNI 7390:2012

Sumber: SNI 0492:2008; SNI 0444:2009; SNI 01-13031989; SNI 7390:2012; Ruiz dan Erhman (1996); Somogyi (1952); Miller (1959)

(Somogyi, 1951), Metode DNS (asam dinitro salisilat/3,5-dinitro-salicylic acid) (Miller, 1959), dan metode NREL. Metode Nelson Somogyi dan Metode DNS hanya dapat mengukur gula pereduksi saja. Namun, metode ini masih banyak digunakan karena tidak memerlukan instrumen yang cukup rumit. Metode NREL dapat mengukur kandungan gula monomer (seperti glukosa dan silosa) karena menggunakan instrumen high-performance liquid chroma-tography (HPLC).


E. KesimpulanKomponen utama dari biomassa lignoseluosa adalah selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Kandungan selulosa dan hemiselulosa dalam biomassa berpotensi untuk dijadikan bioetanol. Biomassa lignoselulosa, baik dari limbah pertanian maupun perkebunan, mengandung selulosa yang tinggi sehingga dapat dijadikan sumber bahan baku bioetanol. Kandungan selulosa dan hemiselulosa pada biomassa lignoselulosa berkisar antara 23–52% dan 12–30% ter-gantung sumbernya. Potensi bioetanol yang dapat dihasilkan dari limbah biomassa lignoselulosa mencapai 11,46 juta ton atau setara dengan 13,29 juta kiloliter (Tabel. 3.4). Potensi ini cukup besar jika dikembangkan secara berkelanjutan dan dapat memenuhi kebutuhan bioetanol sebagai pencampur bahan bakar E10.

Daftar PustakaAl-Zuhair, S. (2008). The effect of crystallinity of cellulose on the rate of

reducing sugars production by heterogeneous enzymatic hydrolysis. Bioresource Technology, 99(10), 4078–4085. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.09.003.

Badger, P. (2002). Ethanol from cellulose: A general review. Trends in New Crops and New Uses, 17–21.

Balat, M., & Balat, H. (2009). Recent trends in global production and utilization of bio-ethanol fuel. Applied Energy, 86(11), 2273–2282. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.03.015.

Barlianti, V., Dahnum, D., Hendarsyah, H., & Abimanyu, H. (2015). Effect of alkaline pretreatment on properties of lignocellulosic oil palm waste. Procedia Chemistry, 16, 195–201. https://doi.org/10.1016/j.proche.2015.12.036.

BPS. (2015). Statistik pertanian 2014. Jakarta: Badan Pusat Statistik.BPS. (2017). Statistik Indonesia 2017. Jakarta: Badan Pusat Statistik.Dahnum, D., Styarini, D., Sudiarmanto, Muryanto, & Abimanyu, H.

(2013). Utilization of frond palm oil as second generation bioethanol production using alkaline pretreatment and separated hydrolysis and fermentation method. Proceeding of International Seminar on Sciences, 21–26.


Dowe, N., & Mcmillan, J. (2008). SSF experimental protocols— lignocellulosic biomass hydrolysis and fermentation laboratory analytical procedure (LAP). Dalam Technical Report NREL.

Fengel, D., & Wegener, G. (1995). Kayu: Kimia, ultrastruktur, reaksi-reaksi (Terjemahan Hardjono Sastrohamidjojo). Yogyakarta: Gadjah Mada University Press.

Gerardi, V., Minelli, F., & Viggiano, D. (1998). Steam treated rice industry residues as an alternative feedstock for the wood based particle board industry in Italy. Biomass and Bioenergy, 14(3), 295–299.

Glassner, D., Hettenhaus, J., & Schechinger, T. (1999). Corn stover potential: Recasting the corn sweetener industry. Dalam Perspective on new crops and uses (74–82).

Gong, C.-S., Chen, L. F., Flickinger, M. C., & Tsao, G. T. (1981). Conversion of hemicellulose carbohydrates. Dalam Bioenergy. Advances in biochemical engineering, vol 20, 93–118. Berlin, Heidelberg: Springer.

González, G., López‐Santín, J., Caminal, G., & Solà, C. (1985). Dilute acid hydrolysis of wheat straw hemicellulose at moderate temperature: A simplified kinetic model. Biotechnology and Bioengineering, 28, 288–293. https://doi.org/10.1002/bit.260280219.

Hambali, E., Thahar, A., Nisyaw, F. N., Biladi, D. B. C., & Haryanto, D. (2015). Sumber bahan bakar nabati. Dalam T. H. Soerawidjaya & D. Kusdiana (Eds.), Peta jalan litbang bahan bakar nabati: Menuju mandiri energi (15–90). Bogor: IPB Press.

Higuchi, T. (2004). Microbial degradation of lignin: Role of lignin peroxidase, manganese peroxidase, and laccase. Proceedings of the Japan Academy, Series B, 80(5), 204–214. https://doi.org/10.2183/pjab.80.204.

Jalaludin, & Rizal, S. (2005). Pembuatan pulp dari jerami padi dengan menggunakan natrium hidroksida. Jurnal Sistem Teknik Industri, 6 (5), 53–56.

Jørgensen, H., Kristensen, J. B., & Felby, C. (2007). Enzymatic conversion of lignocellulose into fermentable sugars: Challenges and opportunities. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 1, 119–134. https://doi.org/10.1002/bbb.4.

Judoamidjojo, R. M., Said, E. G., & Hartoto, L. (1989). Biokonversi. Departemen Pendidikan dan Kebudayaan, Direktorat Pendidikan Tinggi. Pusat Antar Universitas Bioteknologi, Institut Pertanian Bogor.


Kang, Q., Appels, L., Tan, T., & Dewil, R. (2014). Bioethanol from lignocellulosic biomass: Current findings determine research priorities. The Scientific World Journal. (Article ID 298153).

Kelly-Yong, T. L., Lee, K. T., Mohamed, A. R., & Bhatia, S. (2007). Potential of hydrogen from oil palm biomass as a source of renewable energy worldwide. Energy Policy, 35(11), 5692–5701. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2007.06.017.

Kim, S., & Dale, B. E. (2004). Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Biomass and Bioenergy, 26(4), 361–375. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2003.08.002.

Klemm, D., Philipp, B., Heinze, T., Heinze, U., & Wagenknecht, W. (1998). General considerations on structure and reactivity of cellulose: Section 2.1–2.1. 4. Dalam D. Klemm, B. Philipp, T. Heinze, U. Heinze, & W. Wagenknecht (Eds.), Comprehensive cellulose chemistry: Fundamentals and analytical methods. Wiley Online Library. (hlm. 70), Weinheim.

Knauf, M., & Moniruzzaman, M. (2004). Lignocellulosic biomass processing: A perspective. International Sugar Journal, 106(1263), 147–150.

Kosugi, A., Tanaka, R., Magara, K., Murata, Y., Arai, T., Sulaiman, O., … Mori, Y. (2010). Ethanol and lactic acid production using sap squeezed from old oil palm trunks felled for replanting. Journal of Bioscience and Bioengineering, 110(3), 322–325. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2010.03.001.

Kristiani, A., Effendi, N., Aristiawan, Y., Aulia, F., & Sudiyani, Y. (2015). Effect of combining chemical and irradiation pretreatment process to characteristic of oil palm’s empty fruit bunches as raw material for second generation bioethanol. Energy Procedia, 68(Supplement C), 195–204. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.248.

Lai, L. W., & Idris, A. (2013). Disruption of oil palm trunks and fronds by microwave-alkali pretreatment. BioResources, 8(2), 2792–2804.

Leiva, P., Ciannamea, E., Ruseckaite, R. A., & Stefani, P. M. (2007). Medium-density particleboards from rice husks and soybean protein concentrate. Journal of Applied Polymer Science, 106, 1301–1306. https://doi.org/10.1002/app.26545.

Lim, J. S., Manan, Z. A., Wan Alwi, S. R., & Hashim, H. (2012). A review on utilisation of biomass from rice industry as a source of renewable energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(5), 3084–3094. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.051.


Lloyd, T. A., & Wyman, C. E. (2005). Combined sugar yields for dilute sulfuric acid pretreatment of corn stover followed by enzymatic hydrolysis of the remaining solids. Bioresource Technology, 96(18), 1967–1977. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.01.011.

Mabee, W. E., McFarlane, P. N., & Saddler, J. N. (2011). Biomass availability for lignocellulosic ethanol production. Biomass and Bioenergy, 35(11), 4519–4529. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.06.026.

McKendry, P. (2002). Energy production from biomass (part 1): Overview of biomass. Bioresource Technology, 83(1), 37–46. https://doi.org/10.1016/S0960-8524(01)00118-3.

Miller, G. L. (1959). Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Analytical Chemistry, 31(3), 426–428. https://doi.org/10.1021/ac60147a030.

Mussatto, S. I., & Roberto, I. C. (2004). Alternatives for detoxification of diluted-acid lignocellulosic hydrolyzates for use in fermentative processes: A review. Bioresource Technology, 93(1), 1–10. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2003.10.005.

Novikova, L. N., Medvedeva, S.., Volchatova, I. V., & Bogatyreva, S. A. (2002). Changes in macromolecular characteristics and biological activity of hydrolytic lignin in the course of composting. Applied Biochemistry and Microbiology, 38(2), 181–185.

Quispe, I., Navia, R., & Kahhat, R. (2017). Energy potential from rice husk through direct combustion and fast pyrolysis: A review. Waste Management, 59, 200–210. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016. 10.001.

Rainey, T. J., Doherty, W. O. S., Martinez, M. D., Brown, R. J., & Kelson, N. A. (2009). An experimental study of Australian sugarcane bagasse pulp permeability. Appita Journal, 62(4), 296–302.

Rubin, E. M. (2008). Genomics of cellulosic biofuels. Nature, 454, 841.Ruiz, R., & Ehrman, T. (1996). Determination of carbohydrates in biomass

by high performance liquid chromatography, Laboratory Analytical Procedure (LAP) No. 002. Dalam Technical Report NREL.

Santos, R. B., Hart, P. W., Jameel, H., & Chang, H. M. (2013). Wood based lignin reactions important to the biorefinery and pulp and paper industries. BioResources, 8(1), 1456–1477.


Schwietzke, S., Kim, Y., Ximenes, E., Mosier, N., & Ladisch, M. (2009). Ethanol production from Maize BT. Dalam A. L. Kriz & B. A. Larkins (Eds.). Molecular genetic approaches to maize improvement (347–364). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-68922-5_23.

Sheeba, K. N., & Prakash, P. (2015). Biomass-potential sustainable source of energy. Dalam R. Prasad, S. Sivakumar, & U. C. Sharma (Eds.), Energy science and technology vol 7 Bioenergy (54–57). Studium Press LLC.

Sheil, D., Casson, A., Meijaard, E., Van Noordwijk, M., Gaskell, J., Sunderland-Groves, J., … Kanninen, M. (2009). The impacts and opportunities of oil palm in Southeast Asia What do we know and what do we need to know? Center for International Forestry Research (CIFOR), Bogor, Indonesia. https://doi.org/10.17528/cifor/002792.

Sjöström, E. (1993a). Chapter 5 -Extractives BT - wood chemistry (second edition) (90–108). San Diego: Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-092589-9.50009-7.

Sjöström, E. (1993b). Wood chemistry - fundamental and application (second edition). San Diego: Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-092589-9.50003-6.

SNI 7390 :2012. (2012). Bioetanol terdenaturasi untuk gasohol.Somogyi, M. (1951). Notes on sugar determination. The Journal of Biological

Chemistry, 195, 19–24.Stefani, P. M., Garcia, D., Lopez, J., & Jimenez, A. (2005). Thermogravimetric

analysis of composites obtained from sintering of rice husk-scrap tire mixtures. Journal of Thermal Analysis and Calorymetry, 81, 315–320.

Styarini, D., Risanto, L., Aristiawan, Y., & Sudiyani, Y. (2012). Comparison of two analytical methods for compositional analysis of lignocellulosic biomass for bioethanol production, International Journal of Environment and Bioenergy, 3(2), 88–97.

Sudiyani, Y., Styarini, D., Triwahyuni, E., Sembiring, K. C., Aristiawan, Y., Abimanyu, H., & Han, M. H. (2013). Utilization of biomass waste empty fruit bunch fiber of palm oil for bioethanol production using pilot-scale unit. Energy Procedia, 32, 31–38. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.05.005.

Sumathi, S., Chai, S. P., & Mohamed, A. R. Ã. (2008). Utilization of oil palm as a source of renewable energy in Malaysia. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 12(9), 2404–2421. https://doi.org/10.1016/j.rser.2007.06.006.


Tester, R. F., & Karkalas, J. (2003). Carbohydrates classification and properties. Dalam B. Caballero (Ed.), Encyclopedia of food sciences and nutrition (second edition) (862–875). Oxford: Academic Press. https://doi.org/10.1016/B0-12-227055-X/00166-8.

Wiloso, E. I., Triwahyuni, E., Barlianti, V., & Muryanto, M. (2010). Review on the development of bioethanol from lignocellulosic biomass. Journal Lingkungan Tropis, 339–352.

Wyman, C. E. (1999). Biomass ethanol: Technical progress, opportunities, and commercial challenges. Annual Review of Energy and the Environment, 24(1), 189–226. https://doi.org/10.1146/annurev.energy.24.1.189.

Yamada, H., Tanaka, R., Sulaiman, O., Hashim, R., Hamid, Z. A. A., Yahya, M. K. A., … Mori, Y. (2010). Old oil palm trunk: A promising source of sugars for bioethanol production. Biomass and Bioenergy, 34(11), 1608–1613. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2010.06.011.

Yoswathana, N., Phuriphipat, P., Treyawutthiwat, P., & Eshtiaghi, M. N. (2010). Bioethanol production from rice straw. Energy Research Journal, 1(1), 26–31.

Zakzeski, J., Bruijnincx, P. C. A., Jongerius, A. L., & Weckhuysen, B. M. (2010). The catalytic valorization of ligning for the production of renewable chemicals. Chem. Rev., 110(6), 3552–3599. https://doi.org/10.1021/cr900354u.

75

Potensi bioetanol sebagai energi alternatif mendorong banyak penelitian dengan tujuan efesiensi dalam proses produksi

bioetanol tersebut (Wooley, Ruth, Glassner, & Sheehan, 1999). Pada awalnya, diproduksi bioetanol generasi satu. Bahan baku bioetanol jenis ini adalah komoditas yang mengandung pati atau karbohidrat dan umumnya berasal dari tanaman pangan. Penggunaan pati atau karbohidrat ini berakibat pada persaingan pemanfaatan komoditas pangan menjadi sumber energi (Kullander, 2010). Perhatian dunia penelitian dan pengembangan serta industri kemudian beralih ke bioetanol generasi dua. Di satu sisi, bioetanol menggunakan bahan baku biomassa lignoselulosa untuk memenuhi kebutuhan energi pengganti bahan bakar fosil (Valentine dkk., 2012). Di sisi lain, pemanfaatan biomassa lignoselulosa yang berasal dari limbah dapat meningkatkan nilai tambah limbah yang sebelumnya hanya diang-gap sebagai luaran lain dari sebuah proses dan hanya menimbulkan masalah baru (Rocha-Meneses, Raud, Orupõld, & Kikas, 2017).

4PROSES PERLAKUAN AWAL BIOETANOL GENERASI DUA

Feni Amriani, Sabar Pangihutan Simanungkalit, Muryanto, dan Haznan Abimanyu


Teknologi proses konversi biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol perlu mendapat perhatian, terutama dalam perlakuan awal (pretreatment process), karena tahapan ini dianggap sebagai hambatan dalam proses konversi tersebut (Alvira, Ballesteros, & Negro, 2010). Oleh sebab itu, teknologi perlakuan awal biomassa lignoselulosa menjadi tren topik penelitian sejak ketersediaan ba-han bakar fosil semakin menipis dan isu pemanasan global banyak dibicarakan (Chaturvedi & Verma, 2013).

Perlakuan awal pada produksi bioetanol G2 berbeda dengan perlakuan awal bioetanol G1 (Gambar 4.1). Perlakuan awal pada proses produksi bioetanol G2 meliputi pemisahan komponen lignin pada biomassa lignoselulosa untuk memperoleh komponen selulosa dan hemiselulosa (holoselulosa) agar mudah dihidrolisis secara enzimatis maupun kimiawi untuk mendapatkan C6 dan C5.

Sumber: Dimodifikasi dari Brandt, Grasvik, Hallet, dan Welton (2013)

Gambar 4.1 Perbedaan Teknologi Produksi Bioetanol Generasi Satu dan Dua

Tujuan utama proses perlakuan awal pada biomassa lignose-lulosa adalah degradasi lignin sehingga terpisah dari holoselulosa. Lignin adalah polimer dari gugus aromatik yang membungkus selulosa dan hemiselulosa sehingga membentuk suatu ikatan kom-pleks yang kuat. Oleh karena itu, dibutuhkan perlakuan awal untuk

Proses Perlakuan Awal ... 77

Lantas, apa sajakah faktor-faktor yang menentukan keber-hasilan proses perlakuan awal? Persentase degradasi lignin adalah parameter utama, tetapi bukan satu-satunya yang menentukan keberhasilan perlakuan awal. Beberapa aspek lainnya juga me-nentukan keberhasilan proses perlakuan awal, yaitu minimalisasi produk degradasi yang bersifat sebagai inhibitor/zat toksik, men-dapatkan persentase holoselulosa yang tinggi dan struktur selulosa yang lebih mudah dihidrolisis, serta meminimalisi jumlah limbah yang dihasilkan.

Pada dasarnya, hasil samping berupa zat inhibitor atau zat-zat toksik terbentuk dari komponen penyusun biomassa lignoselulosa itu sendiri (Gambar 4.3). Lignin, selulosa, dan hemiselulosa dapat terdekomposisi menjadi gugus-gugus sederhana yang mungkin

Sumber: Dimodifikasi dari Hsu, Ladisch, dan Tsao (1980)

Gambar 4.2 Representasi Gambaran Perlakuan Awal Biomassa Lignoselulosa

Lignin Hemicellulose Cellulose

Perlakuan Awal

memisahkan selulosa dan hemiselulosa (Gambar 4.2). Penentuan perlakuan awal yang digunakan bergantung pada jenis biomassa lignoselulosa karena tidak ada perlakuan awal universal yang dapat diaplikasikan untuk semua biomassa lignoselulosa (da Costa Sousa, Chundawat, Balan, & Dale, 2009).


merupakan toksik atau inhibitor dari enzim atau mikrob fermentasi pada proses sakarifikasi dan fermentasi (Jönsson, Alriksson, & Nilvebrant, 2013).

Proses perlakuan awal memungkinkan terbentuknya zat inhibitor dan atau toksik dari substrat yang akan digunakan pada pem buatan bioetanol. Keberadaan zat-zat toksik tersebut dapat memengaruhi efektivitas proses selanjutnya (proses hidrolisis enzimatis) sehingga berpengaruh terhadap perolehan bioetanol yang diharapkan (Koppram, Tomas-Pejo, Xiros, & Olsson, 2014; Liu dkk., 2016). Minimalisasi produk degradasi yang bersifat toksik dapat dicapai apabila dipilih proses perlakuan awal yang sesuai untuk biomassa lignoselulosa tertentu.

Selain komponen lignin yang harus dieliminasi, yang diukur dari persentase lignin tersisa dalam substrat hasil perlakuan awal, persentase hemiselulosa dan selulosa yang tinggi juga berperan sebagai parameter keefektifan proses perlakuan awal tersebut (Öhgren, Bura, Saddler, & Zacchi, 2007). Beberapa metode per la kuan awal yang telah digunakan umumnya tidak hanya yang mengelimi nasi keberadaan lignin, tetapi juga sejumlah hemi selulosa ikut terlarut dalam limbah lignin hasil perlakuan awal. Akibat nya, hemiselulosa pada biomassa lignoselulosa tidak dapat termanfaatkan secara maksimal untuk dikonversi menjadi etanol (Kumar & Sharma, 2017).

Keberhasilan perlakuan awal sangat berpengaruh terhadap efektivitas proses enzimatis dalam proses sakarifikasi selulosa menjadi glukosa. Pada dasarnya, selulosa adalah mikrofibril dalam rangkaian biomassa lignoselulosa yang memiliki dua jenis struktur, yaitu kristalin dan parakristalin (amorf) (Zheng, Pan, & Zhang, 2009). Kedua struktur tersebut menjadi salah satu indikator dari biomassa hasil perlakuan awal sehingga struktur selulosa amorf akan lebih mudah dicerna oleh enzim (Zheng dkk., 2009).


Sumber: Jönsson dan Martín (2016)

Gambar 4.3 Lignin-selulosa-hemiselulosa dan beberapa senyawa turunannya berpotensi menjadi zat inhibitor dalam produksi bioetanol.

Sebagai akibat dari proses perlakuan awal, selulosa dapat berubah bentuk (polymorph) menjadi beberapa jenis selulosa yang dikenal dengan selulosa I, II, III, IV (Gambar 4.4). Beberapa faktor diketahui dapat memengaruhi perubahan bentuk selulosa tersebut. Namun, hingga saat ini belum ada penjelasan lebih lanjut mengenai signifikansi bentuk tersebut terhadap tingkat digestibility enzimatis (Chang & Holtzapple, 2000; Maurya, Singla, & Negi, 2015; O’Sullivan, 1997; Zheng dkk., 2009). Perubahan bentuk selulosa sebagai hasil dari sebuah proses dapat diketahui lewat pengukuran menggunakan resonansi nuklir magnetis (NMR), infra merah, dan studi difraksi, seperti dikatakan oleh Blackwell & Marches-sault (dalam O’Sullivan, 1997).

Salah satu perubahan bentuk yang terjadi adalah luas permu-kaan selulosa yang semakin meningkat. Dengan demikian, akses


Sumber: O’Sullivan (1997)

Gambar 4.4 Interkonversi Berbagai Bentuk Selulosa

enzimatis dalam mencerna selulosa menjadi monomer-monomer gula akan lebih baik (McMillan, 1997). Pada dasarnya, parameter peningkatan luas permukaan biomassa lignoselulosa hasil per-lakuan awal dapat diidentifikasi dari dua faktor, yaitu eksternal dan internal. Peningkatan luas permukaan eksternal dicirikan oleh besaran ukuran dan bentuk partikel biomassa, sedangkan luas permukaan internal dicirikan oleh struktur kapiler dari serat selulosa (Maurya dkk., 2015).

Isu lingkungan yang menjadi perhatian dunia memicu lahirnya sebuah konsep dalam industri kimia yang dikenal sebagai green chemistry (Anastas & Eghbali, 2010). Konsep green chemistry meru-pakan pengurangan dampak lingkungan yang lebih buruk. Proses perlakuan awal pun menggunakan konsep ini, misalnya dengan menerapkan konsep daur ulang katalis/bahan kimia untuk mengu-rangi bahan berbahaya yang dapat mencemari lingkungan. Selain itu, dalam perlakuan awal dilakukan pemulihan sumber-sumber potensial yang dapat dimanfaatkan (Capolupo & Faraco, 2016).


Pada umumnya, proses perlakuan awal menghasilkan limbah berbahaya sehingga penanganan limbah yang tepat sangat diperlu-kan. Hasil penelitian Sari, Amriani, dan Anggraini (2016) melapor-kan bahwa dari proses perlakuan awal dari 600 kg tandan kosong sawit menggunakan NaOH 10% w/w diperoleh lindi hitam (black liquor) lebih dari 3.000 liter. Nilai COD dari lindi hitam ini sangat tinggi sehingga satu atau dua metode pengolahan harus dilakukan agar dapat diperoleh air limbah yang memenuhi nilai baku mutu untuk dibuang ke lingkungan (Amriani, Barlianti, Muryanto, & Sari, 2015; Muryanto, Hanifah, Amriani, Ibadurrahman, & Sari, 2017).

Aspek-aspek yang telah diuraikan tersebut menjadi acuan dalam menentukan proses perlakuan awal. Bab ini mengulas be-berapa perlakuan awal yang telah banyak dilakukan oleh peneliti di seluruh dunia, termasuk hasil-hasil penelitian Pusat Penelitian Kimia LIPI. Skema umum proses perlakuan awal yang telah banyak dilakukan pada biomassa lignoselulosa terbagi menjadi lima me-tode, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.5.

Sumber: Dimodifikasi dari Singh, Vyas, Dubey, Upadhyaya, dan Kothari (2018)

Gambar 4.5 Klasifikasi Proses Perlakuan Awal yang Umum Digunakan pada Proses Pembuatan Bioetanol G2


Secara konvensional, perlakuan awal dapat dilakukan dengan proses fisika, kimia, fisika-kimia, dan biologi. Setiap proses tersebut mempunyai keunggulan dan kelemahan. Untuk mengatasi kele-mahan beberapa metode perlakuan awal tersebut, muncul perlakuan awal kombinasi atau penggabungan dua atau lebih jenis perlakuan awal/sequential pretreatment process (Shirkavand, Baroutian, Gapes, & Young, 2016; Sun, Sun, & Zhang, 2016).

Energi yang diperlukan dalam proses perlakuan awal biomassa lignoselulosa menjadi sangat tinggi akibat resistansi lignin (Agbor, Cicek, Sparling, Berlin, & Levin, 2011). Umumnya, energi yang diperlukan pada proses perlakuan awal secara fisika lebih besar daripada secara kimia. Untuk memperkecil kebutuhan energi terse-but, dilakukan kombinasi proses menggunakan konsep sekuensial. Konsep sekuensial adalah menggabungkan dua atau lebih metode perlakuan awal (fisika, kimia, dan biologi) sehingga penggunaan energi pada proses perlakuan awal dapat diminimalisasi (Zhu & Pan, 2010).

Penekanan penggunaan energi pada proses perlakuan awal merupakan bagian penting dari tekno-ekonomi proses pembuatan bioetanol G2. Dalam tekno-ekonomi, semua bagian dari proses harus memberikan kontribusi ekonomi sehingga harga jual produk dapat bersaing di pasaran. Macrelli, Mogensen, & Zacchi (2012) menganalisis integrasi proses produksi bioetanol G2 (daun dan bagas tebu) dan bioetanol G1 (tebu) yang dapat menekan harga jual bioetanol karena sharing energi proses dapat memperkecil biaya proses secara keseluruhan (Macrelli dkk, 2012). Oleh sebab itu, penekanan kebutuhan energi penting untuk dipertimbangkan dalam penentuan proses perlakuan awal yang akan digunakan dalam proses produksi bioetanol G2.


A. Perlakuan Awal Secara FisikaPerlakuan awal secara fisika bertujuan untuk merombak struktur fisik biomassa lignoselulosa dan memecah matriks penyusunnya. Perlakuan awal ini dapat berupa proses mekanis atau non-mekanis, baik dengan maupun tanpa menggunakan media dan bahan kimia. Perlakuan awal ini juga dapat dilakukan pada suhu ruang ataupun dengan penambahan panas dari luar untuk meningkatkan suhu proses.

1. MekanisProses mekanis pada perlakuan awal umumnya bertujuan untuk memperkecil ukuran bahan baku sehingga mempermudah proses selanjutnya yang berupa delignifikasi atau hidrolisis. Proses me-kanis ini dapat juga dikombinasikan dengan penggunaan panas (penaikan suhu) dan bahan kimia.

a. Tumbukan MekanikPerlakuan awal dengan tumbukan mekanik meliputi chipping, grinding, dan milling. Chipping adalah memotong-motong bahan dalam bentuk bongkahan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Grinding adalah proses menggerus bahan yang sudah dipotong ke-cil-kecil sehingga menjadi lebih halus dengan bantuan friksi antara dua benda keras, sedangkan milling adalah proses penghalusan dengan cara penggilingan bahan menggunakan beberapa cara. Pada umum nya, metode tumbukan mekanik menyebabkan bertambah-nya luas permukaan biomassa dan mengurangi derajat polimerisasi dan kristalinitas selulosa (Sun & Cheng, 2002). Beberapa penelitian melaporkan bahwa perlakuan awal dengan milling (penggilingan) dapat meningkatkan yield bioetanol (Zhu, Wang, Pan, & Gleisner, 2009). Namun, kebutuhan energi yang besar membuat metode ini tidak ekonomis dalam skala industri (Hendriks & Zeeman, 2009)


Dalam metode milling (penggilingan), perbedaan jenis peng giling akan menghasilkan pengaruh yang berbeda terhadap bio massa lignoselulosa yang akan diolah. Ada beberapa jenis peng gilingan, di antaranya yang menggunakan piringan, jenis palu (hammer milling) dan yang menggunakan bola (ball milling). Peng giling (mill) jenis piringan dapat menghasilkan serat-serat biomassa lignoselulosa yang lebih mudah dihidrolisis dibandingkan jenis hammer. Sementara itu, vibratory ball mill lebih baik dalam mereduksi kristalinitas biomassa lignoselulosa daripada jenis ball mill biasa (Agbor dkk., 2011; Zhu dkk., 2009). Oleh karena itu, pe milihan mill harus sangat diperhatikan.

Pemilihan metode penggilangan juga turut memengaruhi biomassa yang akan diproses. Sebagai contoh, wet milling dianggap lebih baik daripada dry milling karena biomassa yang dihasilkan dapat dihidrolisis hingga lebih dari 70%. Selain itu, pemilihan alat bantú mill, jenis milling yang digunakan, dan waktu penggerusan/milling dapat meningkatkan luas permukaan, derajat polimerisasi, dan kristalinitas selulosa (Kumar & Sharma, 2017).

b. EkstrusiPerlakuan awal ekstrusi termasuk jenis perlakuan fisika (mekanis)-kimia menggunakan peralatan yang dirancang khusus dengan tempat proses biomassa lignoselulosa yang dilengkapi dengan screw extruder, baik single atau twin (Zhan dkk., 2006). Prosesnya meng-gunakan panas dan sejumlah bahan kimia, seperti asam dan basa. Selulosa yang dihasilkan dapat meningkatkan jumlah gula yang diperoleh dari proses ekstrusi ini sehingga dianggap efektif (Zheng, Choo, Bradt, Lehoux, & Rehmann, 2014). Beberapa keuntungan dari proses perlakuan awal secara ekstrusi antara lain (1) ongkos produksi rendah; (2) mudah dalam pengawasan dan pengendalian variabel-variabel dalam proses; (3) tidak terjadi degradasi produk


gula; (4) mudah dimodifikasi dan tingkat adaptasi cukup baik dengan modifikasi proses bergantung pada bahan baku biomassa lignoselulosa yang digunakan; (5) dapat digunakan untuk proses kontinu (Zheng & Rehmann, 2014).

2. Non-MekanisProses perlakuan awal dengan sistem nonmekanis menggunakan media, baik berupa air maupun uap panasnya, juga dapat menggu-nakan pemanasan atau dengan bantuan iradiasi sinar gamma atau radiasi berkas elektron. Proses ini bertujuan untuk mendegradasi bahan baku dan mempermudah proses hidrolisis.

a. Pirolisis Pirolisis adalah salah satu metode perlakuan awal yang dapat di terapkan terhadap biomassa lignoselulosa. Pada umumnya, meto de ini ditujukan untuk pengolahan biomassa lignoselulosa menjadi produk akhir bio-oil. Oleh karenanya, sedikit sekali studi yang membahas penerapan metode ini sebagai metode perlakuan awal dalam proses pembuatan bioetanol (Kan, Strezov, & Evans, 2016; Kumar & Sharma, 2017; Stephanidis dkk., 2011). Fan dkk., 1987 dalam (Kumar & Sharma, 2017) melaporkan bahwa produk padatan yang diperoleh dari proses pirolisis dapat dihidrolisis dengan asam (1N H2SO4, 97°C, 2,5 jam) dan mampu memperoleh glukosa dengan rendemen lebih dari 5% dari hasil konversi 80–85% selulosa hasil pirolisis.

b. Iradiasi Sinar-Gama atau Berkas ElektronPada umumnya, kedua jenis radiasi tersebut mempunyai efek degra-dasi yang sama terhadap bahan berbasis selulosa. Perbedaannya ter-letak pada energi radiasi dan daya tembus. Radiasi berkas elektron mempunyai daya tembus jauh lebih rendah, tetapi mempunyai laju dosis jauh lebih tinggi dibandingkan sinar gama, yang merupakan


gelombang elektromagnetik dengan kondisi operasi yang mudah dikendalikan (Danu & Kardha, 2012). Radiasi dapat memecah ikatan hidrogen sehingga menyebabkan terjadinya degradasi. Aki-batnya, luas permukaan menjadi lebih besar dan kristalinitas lebih rendah sehingga dapat meningkatkan proses hidrolisis saat pem-buatan glukosa (Bak, 2014). Pemberian dosis iradiasi yang tinggi dapat mengurangi kandungan selulosa pada lignoselulosa. Pada perlakuan awal diberikan iradiasi berkas elektron 100–500 kGy. Semakin tinggi dosis iradiasi berkas elektron, indeks kristalisasi semakin menurun, bahkan hingga 13% dan menurunkan kadar selulosa TKS hingga 10% dibandingkan TKS tanpa irradiasi. Hal ini disebabkan oleh menurunnya berat molekul selulosa (Kristiani, Effendi, Styarini, Aulia, & Sudiyani, 2016; Triwahyuni, Muryanto, Fitria, & Sudiyani, 2013). Apabila metode ini dilakukan dalam skala besar, diperlukan biaya tinggi untuk instalasi dan prosesnya.

c. Uap Panas (Steam)Dalam proses ini, biomassa diproses pada tekanan saturasi uap dengan temperatur 160–240°C dan tekanan 0,7–4,8 MPa. Berbagai hasil penelitian melaporkan bahwa perlakuan awal dengan uap panas dapat menghidrolisis sebagian hemiselulosa, memodifikasi lignin, meningkatkan luas permukaan serta mengurangi krista-linitas selulosa dan derajat polimerisasi (Ramos, 2003). Perlakuan awal uap panas terhadap jerami atau brangkas (kulit) jagung pada temperatur 190°C dengan waktu proses 5 menit dan menggunakan katalis asam SO2(g) dapat menghasilkan yield glukosa mendekati 90% setelah melalui proses hirolisis ezimatik selama 72 jam (Oh-gren, Galbe, & Zacchi, 2005).


B. Perlakuan Awal Secara KimiaPenggunaan bahan kimia pada perlakuan awal biomassa lignose-lulosa bertujuan untuk mendegradasi salah satu komponen yang ada tergantung dari bahan kimia yang digunakan. Biasanya bahan kimia yang digunakan bersifat asam atau basa/alkali, namun dapat digunakan juga bahan kimia lainnya seperti yang bersifat oksidatif, organosolv, dan cairan ionik.

1. Perlakuan Awal Menggunakan Asam Proses perlakuan awal menggunakan asam akan menghidrolisis sebagian besar hemiselulosa dan menyisakan banyak selulosa dan lignin. Proses ini umumnya dilakukan dengan cara merendam biomassa lignoselulosa dalam larutan asam, kemudian dilakukan pemanasan pada rentang temperatur 140–200oC. Pada umumnya, metode perlakuan awal menggunakan asam sulfat (H2SO4) dan asam klorida (HCl) dengan konsentrasi rendah (0,5–6%) selama 30–60 menit. Selain itu, metode ini dapat juga dilakukan dengan menggunakan asam (misal H2SO4) dengan konsentrasi tinggi (>6%) selama beberapa menit. Kedua cara ini dianggap lebih murah dan efektif dalam hal pelucutan komponen hemiselulosa. Dalam peneli-tian menggunakan asam sulfat dengan konsentrasi rendah (0,5–1%) pada temperatur sedang (140–190oC), hampir seluruh hemiselulosa terhidolisis menjadi gula pentose yang dapat larut (baik monomer maupun oligomer), dengan kenaikan efisiensi dalam penguraian enzimatik selulosa (Lloyd & Wyman, 2005). Namun, perlakuan awal menggunakan larutan asam kuat dengan konsentrasi rendah juga memiliki kelemahan, yakni menghasilkan produk samping, seperti furfural dan hidroksi metil furfural (HMF). Keduanya merupakan hasil degradasi dari glukosa dan pentose yang dapat menghambat proses fermentasi. Untuk mengatasi produk samping yang menghambat proses fermentasi ini, temperatur yang moderat


(121°C) dapat dipilih. Selain itu, pemberian kalsium hidroksida untuk detoksifikasi juga bisa dilakukan, tetapi memerlukan biaya tambahan. Pemberian kalsium hidroksida menyebabkan ter-bentuknya residu proses berupa gipsum. Pembentukan gipsum mengakibatkan pendangkalan volume alat-alat proses yang terbuat dari bahan yang tahan terhadap kondisi asam dan temperatur tinggi (Lee, Iyer, & Torget, 1999). Beberapa laporan menyatakan bahwa perlakuan awal menggunakan asam kuat dengan konsentrasi rendah potensial untuk diterapkan dan hampir mendekati tahap komersial (Mosier dkk, 2005; Wyman, 2007). Untuk mengoptimal-isasi perolehan bioetanol skala komersial, tidak ditemukan metode perlakuan awal secara kimia yang dapat berdiri sendiri. Namun, motode tersebut perlu dikombinasikan dengan metode perlakuan awal secara fisika, seperti ledakan uap, dan metode lainnya (Zheng & Rehmann, 2014). Bab ini menjelaskan metode perlakuan awal fisika-kimia atau metode perlakuan awal kombinasi tersebut.

2. Perlakuan Awal Menggunakan Basa/Alkali Proses perlakuan awal kimia menggunakan alkali bertujuan mengu rangi kandungan lignin, senyawa grup asetil dan melarutkan sedikit hemiselulosa. Pada proses hidrolisis alkali, saponifikasi ikatan-ikatan ester antarmolekul mengikat silang dengan kom-ponen-komponen lainnya, misalnya lignin dan hemiselulosa, akan hilang (Sun & Cheng, 2002). Dengan hilangnya ikatan-ikatan silang, porositas bahan lignoselulosa meningkat. Larutan alkali (NaOH) dengan konsentrasi rendah mengakibatkan bahan ligno selulosa mengembang sehingga luas permukaan internal meningkat, derajat polimerisasi menurun, derajat kristalinitas berkurang, kemudian menyebabkan pemisahan ikatan antara lignin dan karbohidrat serta pemecahan struktur lignin. Selain NaOH, metode ini dapat juga menggunakan Ca(OH)2, KOH (Chang,


Nagwani, Kim, & Holtzapple, 2001), (Sasmal, Goud, & Mohanty, 2012), atau alkali peroksida yang merupakan kombinasi NaOH dan H2O2 (Alvarez-vasco & Zhang, 2013). Proses perlakuan awal menggunakan larutan alkali sudah diterapkan secara komersial (Mosier dkk., 2005; Sudiyani & Hermiati, 2010; Wyman dkk., 2005).

Perlakuan awal dengan menggunakan NaOH memiliki kesa-maan dengan proses kraft dalam pembuatan kertas, yakni sama-sama terjadi pada suhu rendah hingga moderat (50–120 oC). Na-mun, metode ini mempunyai beberapa kelemahan. Kelemahannya adalah waktu proses yang lama, yakni di atas 1 jam hingga hampir 24 jam (Agbor dkk., 2011; Taherzadeh & Karimi, 2008). Selain itu, tingkat solubilisasi atau pelarutan hemiselulosa pun rendah. Seperti halnya metode perlakuan awal kimia menggunakan asam yang kurang berhasil bila dilakukan hanya menggunakan bahan kimia asam, metode perlakuan awal kimia menggunakan basa/alkali pun perlu dikombinasi dengan metode perlakuan awal lain.

3. Perlakuan Awal Menggunakan Ozonolisis dan Oksidatif Metode perlakuan awal menggunakan ozonolisis sudah dilakukan sejak 1980-an dan banyak diperbandingkan dengan metode lainnya (Travaini, Martín-juárez, Lorenzo-hernando, & Rodriguez, 2016). Hal ini karena metode ozonolisis/oksidatif dapat menghasilkan bio massa dengan tingkat hidrolisis (oleh enzim) yang cukup baik. Tingkat hidrolisis yang cukup baik tercipta sebab ada reaktivitas ozon pada lignin yang meningkatkan persentase delignifikasi bio-massa lignoselulosa. Sebenarnya, perlakuan menggunakan ozon tidak hanya mendegradasi lignin, tetapi juga melarutkan sedikit hemiselulosa atau selulosa karena reaktivitas ozon terhadap polimer karbohidrat, seperti hemiselulosa dan selulosa, 106 kali lebih lambat daripada reaktivitas ozon terhadap lignin (Travaini dkk., 2016).


Beberapa faktor yang memengaruhi metode ozonolisis dalam me ning katkan laju hidrolisis sebagai barikut.a. kadar air substrat (optimum 60%); tidak optimumnya kadar

air substrat menyebabkan lebih banyak tahap perlakuan awal ozonolisis yang diperlukan agar hasilnya optimal. Namun, hal ini berarti jumlah ozon yang diperlukan pun semakin banyak sehingga metode ini menjadi mahal

b. pH biomassa yang dapat memengaruhi terdegradasinya sebagian komponen selulosa;

c. waktu proses dan kontak ozon terhadap biomassa sangat krusial karena memengaruhi struktur lignin (Bule, Gao, Hiscox, & Chen, 2013; Jibouri, Turcotte, Wu, & Cheng, 2015; Quesada, Rubio, & Gomez, 1999; Travaini dkk., 2016).

Kelebihan metode ozonolisis dalam proses pembuatan bioetanol ialah tidak ditemukannya hasil degradasi yang bersifat inhibitor bagi mikroorganisme fermentasi, seperti HMF dan furfural. Selain itu, hasil hidrolisis enzimatis juga meningkat dari 29% menjadi 85% dibandingkan biomassa tanpa perlakuan awal menggunakan ozonolisis (García-Cubero, González-Benito, Indacoechea, Coca, & Bolado, 2009). Bule dkk. (2013) melaporkan bahwa ozonolisis selama kurang dari dua jam pada biomassa dengan ukuran partikel 60 mesh dan kadar air 60% dapat meningkatkan hidrolisis enzimatis biomassa dengan optimal.

Metode oksidatif mirip dengan metode ozonolisis, tetapi ba han yang digunakan adalah H2O2 (hidrogen peroksida). Selain itu, mekanisme pendegradasian lignin dalam metode ozonolisis dan metode oksidatif sedikit berbeda. Dalam metode oksidatif, anion H2O2 akan menyerang komponen aromatik dan struktur olefinik secara nukleofilik. Dalam metode ozonolisis, anion H2O2

menyerang kedua struktur tersebut secara elektrofilik (Zhao,


Zhang, & Liu, 2012). Kedua proses tersebut akan menghasilkan biomassa lignoselulosa dengan indeks kristalinitas yang lebih besar dibandingkan biomassa sebelum diolah. Hal ini mengindikasikan bahwa lignin telah berhasil didegradasi, tetapi tidak ada keterkaitan antara indeks kristalinitas tersebut dan hidrolisis secara enzimatis polimer karbohidrat pada biomassa lignoselulosa (Chundawat, Beckham, Himmel, & Dale, 2011).

4. Perlakuan Awal Menggunakan OrganosolvPerlakuan awal menggunakan organosolv dilakukan karena banyak nya pencemaran yang ditimbulkan oleh metode lain se-hingga menimbulkan masalah lingkungan (Zhao, Cheng, & Liu, 2009). Proses ini lebih efektif dan ekonomis dalam menghasilkan polimer karbohidrat yang lebih mudah dihidrolisis secara enzimatis dengan mendegradasi lignin. Pelarut yang sering digunakan dalam metode ini adalah metanol, etanol, aseton, dietilen glikol, butanol, dan pentanol (Sidiras & Salapa, 2015) yang merupakan pelarut organik yang murah dan mudah dipulihkan sehingga dapat mereduksi biaya proses perlakuan awal. Kelebihan metode yang menggunakan organosolv ini adalah mempunyai selektivitas yang tinggi dalam memfraksionasi komponen lignoselulosa dan mampu mengekstrak satu atau lebih komponen (Agbor dkk., 2011). Selain itu, beberapa studi menemukan bahwa penggunaan katalis asam dalam perlakuan awal organosolv dapat memecah ikatan hemiselulosa.

Biomassa lignoselulosa daun lebar (hardwood) memiliki kan-dungan lignin tinggi sehingga proses perlakuan awal mengguna kan organosolv harus dikombinasi dengan katalis anorganik (HCl atau H2SO4) atau katalis organik (asam oksalat, asam asetil salisilat dan asam salisilat) untuk memecahkan ikatan-ikatan lignin internal dan hemiselulosa (Agbor dkk., 2011; Kumar & Sharma, 2017; Zhao


dkk., 2009). Selain itu, pelarut yang digunakan dalam metode ini sangat memengaruhi swelling biomassa. Tidak hanya jenis pelarut, tetapi konsentrasi pelarut dan temperatur proses juga memengaruhi swelling biomassa (Mantanis, Young, & Rowell, 1995). Perlakuan awal menggunakan organosolv dilakukan pada temperatur 100–250 oC dengan waktu proses hingga 1 jam. Pelarut yang digunakan umumnya dicampur dengan air (air: pelarut = 30–50% v/v) untuk efisiensi proses, dan perbandingan antara pelarut dan biomassa efektif dilakukan pada rasio 7:1. Penggunaan etanol sebagai pelarut metode organosolv dengan bahan baku bagas tebu menghasilkan lebih dari 60% gula pereduksi (Capolupo & Faraco, 2016; Mesa dkk., 2011; Sidiras & Salapa, 2015). Hal lainnya yang perlu diper-hatikan adalah keselamatan karena pelarut organik yang digunakan sebagian besar mudah terbakar dan eksplosif. Jadi, prosedur kese-lamatan penting bagi operator dan instalasi peralatan (Capolupo & Faraco, 2016).

5. Perlakuan Awal Menggunakan Cairan IonikCairan ionik mulai dikembangkan sejak dipublikasikan oleh Wilkes dan Zawarotko (1992). Dalam publikasinya, mereka mengulas keunikan cairan ionik untuk memfraksionasi struktur biomassa lignoselulosa dan kestabilannya sebagai pelarut. Cairan ionik ada-lah garam cair sebagai media reaksi yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Sejak saat itu, penelitian penggunaan cairan ionik untuk perlakuan awal biomassa terus berkembang (Brandt, Grasvik, Hallet, & Welton, 2013).

Memodifikasi reaksi untuk menghasilkan cairan ionik berupa kombinasi kation dan anion dianggap ideal untuk menfraksinasi komponen biomassa lignoselulosa (Verdia, Brandt, Hallet, Ray, & Welton, 2014). Salah satu kation yang sering digunakan untuk


fraksinasi komponen biomassa lignoselulosa adalah imidazolium, karena dengan kation ini, fraksinasi dapat dilakukan pada suhu rendah dengan efisiensi perolehan fraksinasi komponen mencapai 70–80% untuk delignifikasi dan di atas 90% untuk gula yang dapat diperoleh dari substrat hasil perlakuan awal (Agbor dkk., 2011; Sun dkk., 2009).

Ada beberapa keuntungan dalam perlakuan awal mengguna-kan cairan ionik. Pertama, dapat mengubah struktur selulosa yang diperoleh dari selulosa I menjadi selulosa II sehingga lebih mudah dihidrolisis secara enzimatis (Brandt dkk., 2013). Kedua, tingkat reusability karena cairan ionik dapat digunakan kembali dengan performa yang hampir sama dengan ketika pertama kali digunakan. Cairan ionik bahkan dapat lebih dari lima kali digunakan dengan efektivitas perlakuan awal lebih dari 99% (An, Zong, Wu, & Li, 2015; Kelin, Rui, Yan, Huiquan, & Wang, 2013). Ketiga, cairan ionik memiliki kestabilan termal sehingga kondisi ekstrem dengan suhu tinggi tidak akan mengubah komposisi cairan ionik tersebut (Brandt-Talbot dkk., 2017) dan hampir tidak menghasilkan limbah proses. Oleh karena itu, metode perlakuan awal menggunakan cairan ionik dianggap sesuai dengan konsep green chemistry. Hal ini membuat viabilitas proses semakin besar dan berpeluang untuk diproyeksikan ke skala lebih besar.

C. Perlakuan Awal Secara Fisika-KimiaPerlakuan awal ini menggunakan kombinasi antara perlakuan meng gunakan metode fisika dan perlakuan dengan bahan kimia. Metode ini juga menggunakan panas dan tekanan dalam prosesnya. Proses ini bertujuan untuk memecah matriks biomassa lignoselulosa dan meningkatkan aksesabilitas selulosa dalam proses hidrolisis.


1. Metode Ledakan Uap (Steam Explosion )Metode ledakan uap dalam proses perlakuan awal dapat meng-gunakan media yang dapat dijelaskan sebagai berikut ini.

a. Ledakan Uap Panas (Steam Explosion)Dalam perlakuan awal dengan ledakan uap, biomassa diolah de-ngan uap panas (180–240°C) hingga mencapai tekanan 1–3,5MPa selama beberapa detik hingga beberapa menit, kemudian tekanan diturunkan secara cepat sehingga bahan mengalami dekompresi eksplosif (Tanahashi, 1990). Hal ini meningkatkan aksesibilitas selulosa dalam proses hidrolisis enzimatik dan fermentasi. Me-kanisme ledakan uap panas juga mampu mengubah material biomassa menjadi lebih berserat (fibrous) (Ballesteros dkk., 2006). Ada beberapa keunggulan utama metode ledakan uap, yaitu tidak menggunakan bahan kimia berbahaya, efisiensi energi yang tinggi, dan tidak menimbulkan dampak buruk bagi lingkungan (Martin, Galbe, Nilvebrant, & Jonsson, 2002). Namun, metode ini pun me-miliki kelemahan, yakni terbentuknya senyawa inhibitor (furfural, HMF) dalam proses dan belum sempurnanya pemecahan lignin (Tabka, Herpo, Monod, Asther, & Sigoillot, 2006).

Penggunaan temperatur dan tekanan yang lebih tinggi dapat meningkatkan delignifikasi, tetapi yield biomassa yang dihasilkan menjadi semakin kecil sehingga tidak efisien untuk meningkatkan bioetanol yang dihasilkan. Temperatur tinggi juga dapat meningkat-kan peluruhan hemiselulosa dari bahan baku, aksesibilitas selulosa, dan degradasi gula. Sjöström (1993) menyatakan bahwa terdapat tiga fase pelarutan lignin yang terjadi, yaitu fase delignifikasi awal, delignifikasi sebagian, dan delignifikasi akhir. Fase delignifikasi awal terjadi pada suhu rendah dan umumnya dikontrol oleh di-fusi, sementara fase-fase berikutnya dikontrol oleh reaksi-reaksi


kimia yang dipengaruhi oleh temperatur. Proses perlakuan awal menggunakan steam explosion dengan penambahan katalis SO2(g) ialah yang paling mendekati tahap komersialisasi (Hahn-Hagerdal, Galbe, Gorwa-Grauslund, Liden, & Zacchi, 2006). Proses ini telah diuji pada beberapa skala pilot, misalnya pada pilot plant Iogen di Kanada, Souston di Prancis, dan Ornskoldsvik di Swedia, dan pilot plant Salamanca di Spanyol.

Secara komersial, metode perlakuan awal ledakan uap sering kali dikombinasikan dengan metode perlakuan awal menggunakan asam. Metode ini sudah dilakukan oleh beberapa industri bioetanol, seperti Abengoa (Spanyol) dan BP Biofuels (USA), untuk memenuhi target produksi bioetanol 4.000–4.200 ton per hari (Zheng & Rehmann, 2014).

Perlakuan awal steam explosion juga dapat dipadukan dengan NaOH (Choi dkk., 2013; Bukhari, Abu Bakar, Soh, & Choo, 2014). Perpaduan ini dapat mengurangi kandungan lignin pada lignoselulosa dengan waktu yang cepat. Penggunaan konsentrasi NaOH 10% pada suhu 150 °C, dengan tekanan 4 bar selama 30 menit, dapat mengurangi kandungan lignin TKS (tandan kosong sawit) dari 26,53% menjadi 6,17% (76,74%) (Muryanto, Sudiyani, & Abimanyu, 2016). Kandungan lignin pada bagase sorgum ber-kurang dari 21,39% menjadi 4,9% setelah dilakukan perlakuan awal menggunakan alkali explosion dengan konsentrasi NaOH 10% pada suhu 130°C, tekanan 4 bar selama 30 menit (Sudiyani, Triwahyuni, Burhani, & Waluyo, 2016).

Perlakuan awal alkali explosion dengan bahan baku TKS, ba-gase sorghum, dan tongkol jagung telah diaplikasikan pada unit di Pilot Plant Bioetanol G2 di Pusat Penelitian Kimia LIPI, Serpong, Banten (Gambar 4.6).


Ket.: Unit perlakuan awal terdiri atas reaktor steam explosion berpengaduk kapasitas 500 liter dan dilengkapi dengan tangki pencucian dan unit pengepresan.

Sumber: Dok. PP Kimia LIPI

Gambar 4.6 Pilot Plant Bioetanol G2 di Pusat Penelitian Kimia LIPI, Serpong, Banten dengan Kapasitas 10 L/hari Fuel Grade

b. Ammonia Fiber Explosion (AFEX) Metode basa ini mirip dengan steam explosion, yakni dengan memaparkan biomassa pada tekanan tinggi selama 10–60 menit pada temperatur moderat (di bawah 1000C) dan tekanan tinggi (di atas 3 MPa). Sebanyak 1 kg ammonia digunakan per kg biomassa kering (Alizadeh, Teymouri, Gilbert, & Dale, 2005; Campbell dkk., 2014). Setelah perlakuan, tekanan diturunkan dengan cepat karena ammonia sangat rentan terhadap tekanan atmosferik. Metode ini tidak menghasilkan senyawa inhibitor, seperti furfural, hidroksi metil furfural (HMF), dan tidak membutuhkan partikel yang kecil (Sun & Cheng, 2002). Berdasarkan semua parameter proses, jumlah takaran ammonia yang digunakan dan waktu retensi merupakan faktor yang paling memengaruhi proses. Dengan penggunaan pa-rameter yang tepat, biaya produksi bioetanol menggunakan metode


ini dapat ditekan hingga lebih dari 35 sen per galon bioetanol untuk kapasitas produksi 850 ton per hari (Bals, Wedding, Balan, Sendich, & Dale, 2011). Metode AFEX memiliki beberapa keuntungan, yaitu reusability ammonia, terjadinya peningkatan hidrolisis enzimatis, dekristalisasi struktur selulosa, swelling biomass sehingga mening-katkan luas permukaan biomassa serta degradasi pada struktur lignin dan hemiselulosa (Balan, Bals, Chundawat, Marshall, & Dale, 2009).

c. CO2 explosion Metode ini mirip dengan steam explosion dan AFEX. Kelebihannya, metode CO2 explosion memakan biaya yang lebih sedikit daripada AFEX dan tidak menghasilkan senyawa penghambat hidrolisis se-perti pada steam explosion. Metode ini umumnya dilakukan untuk proses ekstraksi, tetapi CO2 explosion juga mulai diterapkan pada perlakuan awal dalam produksi bietanol dari biomassa lignoselulosa (Schacht, Zetzl, & Brunner, 2009). Prosesnya memanfaatkan gas CO2 sebagai fluida superkritik, yang mana gas CO2 ditekan hingga mencapai kondisi superkritis sehingga berubah fase menjadi li-kuid. CO2 fase likuid efektif untuk melarutkan lignin, dan dengan penambahan co-solvent (seperti etanol), dapat meningkatkan efi siensi proses delignifikasi.

Dalam fase cair, CO2 membentuk asam karbonat yang dapat membantu terjadinya proses hidrolisis polimer. Besar molekul CO2 sama dengan besar molekul air dan ammonia sehingga dapat menembus pori-pori biomassa lignoselulosa. Hal ini dapat terjadi pada kondisi tekanan tinggi. Pelepasan atau penurunan tekanan CO2 mengakibatkan struktur lignin terpecah sehingga area per-mukaan selulosa dapat diakses oleh substrat untuk melakukan proses enzimatik. Penerapan CO2 explosion pada kayu pinus dapat meningkatkan proses hidrolisis enzimatik (Kim & Hong, 2001).


2. Metode Autohidrolisis (Hidrotermal/Liquid Hot Water/Hidrotermolisis)

Metode hidrotermal lebih unggul dibandingkan metode lain karena menggunakan air sebagai pelarut dalam temperatur dan tekanan yang cukup tinggi (Moller, Nilges, Harnisch, & Schröder, 2011; Sabiha-hanim, Azemi, Noor, & Rosma, 2011). Keunggulan metode ini adalah tidak menggunakan bahan kimia sebagai pelarut dalam prosesnya sehingga tidak perlu melakukan proses untuk menghilangkan/netralisasi bahan kimia. Uji coba perlakuan awal menggunakan hidrotermal telah dilakukan. Hasil uji coba dengan kondisi optimum pada temperatur 200–240°C dan waktu proses 30 menit terhadap TKS oleh Simanungkalit dkk. (2016) menunjuk-kan bahwa persentase hemiselulosa menurun hingga di bawah 1% seiring naiknya temperatur dan suhu proses. Namun, delignifikasi belum optimal sehingga dibutuhkan perlakuan awal lanjutan untuk mengurai lignin.

Perlakuan awal dengan metode liquid hot water (LHW) meng-gunakan air pada temperatur di atas 150 oC, dengan atau tanpa tekanan, memerlukan pengendalian pH. Dengan pengendalian pH, lebih banyak poli dan oli gosakarida yang terlarut dalam fraksi cair sehingga padatan yang diperoleh masih memiliki sedikit hemise-lulosa. Jadi, pengaturan pH sangat menentukan hasil perlakuan awal LHW (Kim, Hendrickson, Mosier, & Ladisch, 2009). Karena prosesnya sangat sederhana, metode LHW paling rendah biayanya dibandingkan metode perlakuan awal fisika-kimia lainnya (Zhuang dkk., 2016).

3. Metode Energi GelombangMetode ini menggunakan bantuan gelombang mikro atau gelom-bang suara yang bertujuan untuk membuat ikatan-ikatan polar


pada biomassa bervibrasi atau membentuk ruang kosong (kavitasi) sehingga mempermudah reaksi bahan kimia/pelarut dalam proses dekonstruksi struktur lignoselulosa.

a. Teknologi Microwave/Gelombang MikroProses perlakuan awal dengan gelombang mikro (microwave) menggunakan prinsip radiasi gelombang mikro yang memvi-brasi ikatan-ikatan polar biomassa lignoselulosa yang diproses (Keshwani, Cheng, Burns, & Chiang, 2007). Vibrasi ini adalah interaksi gelombang mikro dengan ion-ion polar pada biomassa yang menghasilkan efek termal atau efek nontermal sehingga terjadi reaksi, baik secara fisik, kimia, maupun biologi (Ethaib, Omar, Kamal, & Biak, 2015). Pada umumnya, proses perlakuan awal dengan gelombang mikro menggunakan pelarut alkali (seperti NaOH), asam (seperti H2SO4), dan air untuk merendam biomassa yang akan diolah (Zhu, Macquarrie, Simister, Gomez, & Mason, 2015). Pelarut yang digunakan dalam proses ini biasanya pelarut anorganik yang bersifat polar. Penggunaan pelarut polar membantu efek termal sehingga dekonstruksi struktur biomassa lignoselulosa bisa lebih cepat (Macquarrie, Clark, & Fitzpatrick, 2012).

Ada dua parameter yang menentukan dalam metode ini. Per-tama, gelombang mikro yang efektif untuk dekonstruksi struktur lignoselulosa. Kedua, waktu paparan radiasi yang umumnya di-lakukan pada rentang 5–20 menit (Maurya dkk., 2015; Zhu dkk., 2015). Metode ini dapat mereduksi lignin hingga lebih dari 65% dan mampu memproduksi lebih dari 80% glukosa hasil hidrolisis biomassa (Kumar & Sharma, 2017).

b. Teknologi UltrasonikProses perlakuan awal menggunakan teknologi ultrasonik merupa-kan proses yang sederhana. Pada umumnya, metode ini digunakan


untuk membantu proses perlakuan awal secara kimia yang bertu-juan mengurangi waktu reaksi antara bahan kimia yang digunakan dan struktur biomassa yang akan didestruksi (Sasmal dkk., 2012).

Teknologi ultrasonik bekerja dengan mekanisme kavitasi atau pembentukan ruang kosong pada struktur biomassa. Mekanisme ini mempermudah masuknya beberapa pelarut/bahan kimia yang digunakan untuk mengakselerasi proses reaksi dekonstruksi bio-massa lignoselulosa (Kumar & Sharma, 2017). Proses ultrasonik pada frekuensi rendah dan medium (20–1.000 kHz) sering diguna-kan dan mampu mempercepat efek sonokimia untuk dekonstruksi biomassa lignoselulosa (Bussemaker & Zhang, 2013).

Ada beberapa hal yang memengaruhi proses perlakuan awal dengan teknologi ini, yaitu konfigurasi reaktor sonikasi, kestabilan daya, waktu proses sonikasi, temperatur proses, dan frekuensi ge lom bang yang digunakan (Subhedar & Gogate, 2016). Hasil degra dasi lignin dengan metode ini bervariasi antara biomassa satu dan lainnya. Pada biomassa bagas tebu, lignin dapat terekstraksi hingga lebih dari 90%, sedangkan pada biomassa bambu, lignin yang terekstraksi sekitar 20%.

D. Perlakuan Awal Secara BiologiPerlakuan awal secara biologi menggunakan mikro organisme (jamur dan bakteri) dapat mendegradasi lignin, hemiselulosa, dan sedikit selulosa, tergantung jenis mikro organisme yang digunakan. Dalam hal mendegradasi lignin, jumlah golongan jamur yang di-manfaatkan lebih banyak dibandingkan bakteri. Secara garis besar, jamur yang ada di alam bebas dikelompokkan menjadi dua, yaitu jamur pelapuk cokelat (brown fungi) dan jamur pelapuk putih (white rot fungi). Jamur pelapuk cokelat (Tyromyces palustris, Schizophyllum commune, dan Polyporus sp.) digunakan sebagai pendegradsi selulosa dan hemiselulosa. Sementara itu, jamur


pelapuk putih (Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Pycnoporus coccineus, Ganoderma sp.) berperan utama dalam mendegradasi lignin secara enzimatis. Karakteristik kedua jenis jamur tersebut adalah 1) membentuk spora yang cukup banyak dan mudah dipindahkan; 2) bersifat thermotolerant sehingga dapat tumbuh pada temperatur 25°C ataupun pada temperatur 35–40°C; 3) bahan nutrisinya mudah didapat.

Dari kedua jenis jamur tersebut, yang paling efektif untuk perlakuan awal bahan berlignoselulosa adalah jamur pelapuk putih. Jamur pelapuk putih menghasilkan beberapa enzim yang bersifat ligninolitik, yaitu lignin peroksidase (LiP), mangan II peroksidase (MnP), dan laccase (Lac). LiP mengoksidasi komponen nonfenolik dari lignin, sedangkan MnP mengoksidasi komponen fenolik dari lignin (Higuchi, 2004; Wong, 2009).

Beberapa bakteri (Clostridium, Cellulomonas, Bacillus, Rumin-nococcus, Acetovibrio, Bacteriodes, dan Streptomyces) diketahui juga dapat menghasilkan enzim-enzim lignolitik (seperti laccase dan mangan peroksidase) untuk mendegradasi lignin sehingga dapat di-gunakan dalam perlakuan awal. Namun, penggunaan bakteri relatif lebih rumit dalam pembiakannya. Selain itu, kemampuan bakteri dalam mendegradasi lignin lebih rendah dibandingkan jamur. Pembahasan mengenai bakteri yang mampu mendegradasi lignin pun sangat sedikit ditemukan (Sahadevan, Misra, & Thankamani, 2013; Sun & Cheng, 2002)

Keunggulan proses biologi adalah konsumsi energi yang le-bih rendah. Hal ini karena perlakuan biologis tidak memerlukan pemanasan temperatur tinggi. Selain itu, dengan rendemen pro duk perlakuan awal yang lebih tinggi, limbah perlakuan awal yang dihasilkan lebih sedikit dan tidak begitu berbahaya terhadap lingkungan karena ada pengurangan penggunaan bahan kimia (Hermiati dkk., 2013; Maurya dkk., 2015; Mosier dkk., 2005).


Namun, perlakuan awal secara biologi pun memiliki kelemahan, yakni kecepatan degradasi sangat lambat bila dibandingkan proses perlakuan awal kimia sehingga pihak industri kurang meminati metode ini (Amriani, Salim, Iskandinata, Khumsupan, & Barta, 2016; Moreno, Ibarra, Alvira, Toma, & Ballesteros, 2015).

E. Perlakuan Awal KombinasiPerlakuan awal pada lignoselulosa dapat dilakukan secara kom-binasi. Hal ini dilakukan untuk memperoleh selulosa dengan ke-murnian tinggi serta rendah lignin dan hemiselulosa. Walaupun biaya yang diperlukan cukup tinggi, jika fraksionasi struktur ligno selulosa berhasil dilakukan, akan mampu menutupi biaya produksi akibat valorisasi (peningkatan nilai) beberapa komponen tunggal biomassa lignoselulosa, seperti lignin dan hemiselulosa (Timilsena, 2012).

Bahan baku TKS yang diberi perlakuan awal kombinasi meng-gunakan iradiasi berkas elektron 100–300 kGy dan perlakuan awal kimia NaOH 6–10% yang dilakukan Dahnum dkk. (2017) tidak memberikan hasil yang maksimal. TKS yang telah diiradiasi kemudian dikombinasikan dengan perlakuan awal basa (NaOH) banyak mengalami kehilangan berat setelah proses. Biomassa yang dihasilkan setelah perlakuan awal kombinasi ini hanya mencapai 7–20%. Sementara itu, kombinasi perlakuan awal kimia yang diikuti dengan irradiasi pada kondisi yang sama (Dahnum dkk., 2017) dapat menurunkan kadar lignin dan meningkatkan kandungan selulosa pada lignoselulosa (Kristiani dkk., 2015).

Brosse, Sannigrahi, dan Ragauskas (2009) melakukan penelitian perlakuan awal dengan Miscanthus x giganteus (MxG) atau ilalang raksasa sebagai bahan baku. Perlakuan awal yang dilakukan adalah metode organosolv. Kemudian, hasilnya dibandingkan perlakuan awal kombinasi antara alkali dan organosolv. Perlakuan awal kom-


binasi menghasilkan produk yang lebih baik, dengan kadar lignin 11,2% dan selulosa 81,5% pada kondisi optimum (T = 170°C, t = 60 menit). Perlakuan kombinasi asam dan alkali pada jerami juga memberikan hasil yang cukup signifikan, yakni didapat 70,9% glu-kosa dari proses sakarifikasi (Weerasai dkk., 2014). Hasil optimum tersebut diperoleh dari proses asam dengan konsentrasi H2SO4 1%, temperatur 125°C dan waktu proses 10 menit, dilanjutkan proses alkali dengan kosentrasi 1,25% alkali, temperatur 90°C, dan waktu proses 10 menit. Proses ini juga meningkatkan efisiensi penggu naan bahan kimia 2–4 kali lipat dibandingkan perlakuan awal kimia yang menggunakan satu pelarut.

Metode perlakuan awal sekuensial/kombinasi yang dilakukan Oliva dkk. (2017) mengombinasikan antara metode fisika-kimia dan fisika, yakni menggunakan ledakan uap dan ekstrusi dengan barley straw sebagai bahan baku. Proses tersebut mampu mem-fraksionasi struktur hingga lebih dari 80% untuk ketiga komponen utama (selulosa, hemiselulosa, dan lignin). Hasil optimum tersebut diperoleh pada temperatur 180°C (~9bar) dan waktu proses 3,5 menit untuk perlakuan awal ledakan uap dan dilanjutkan dengan proses ekstrusi pada suhu 100°C, kecepatan rotor 150 rpm, meng-gunakan pelarut NaOH dengan konsentrasi 10%. Konsentrasi etanol yang diperoleh mencapai 1,4 kali lebih efektif daripada meng gunakan metode ledakan uap atau ekstrusi saja (Oliva dkk., 2017)

Berbagai metode perlakuan awal biomassa dengan tingkat kesulitan yang berbeda antara satu metode dan metode lainnya telah dipelajari dan diujicoba. Hal ini bisa dijadikan pedoman untuk menghasilkan selulosa yang tinggi atau degradasi lignin yang optimum. Beberapa metode perlakuan awal lignoselulosa untuk produksi bioetanol G2 dapat dilihat pada Tabel 4.1.


Tabel 4.1 Beberapa Metode Beserta Tujuan Perlakuan Awal

Metode perlakuan awal Proses Tujuan

Fisika

Mekanik:• Milling

• Meningkatkan luas permukaan spesifik dan ukuran pori

• Menurunkan derajat polimerisasi dan kristalinitas

• Grinding• Chipping• Size reduction:0,2–2 mm (milling)10–30 m (chipping)

Fisika-Kimia (Kombinasi)

Hidrotermal:

• Meningkatkan luas permukaan spesifik dan ukuran pori

• Degradasi hemiselulosa • Delignifikasi

• Liquid hot water• Steam explosionDengan kimia:• H2SO4• Ammoniafiberexplosion

(AFEX)Iradiasi

Kimia Asam:

• Meningkatkan luas permukaan internal karena swelling dan porositas

• Menurunkan derajat polimerisasi dan kristalinitas

• Degradasi hemiselulosa• Delignifikasi

• Konsentrasi rendah• PekatAlkali (basa):• NaOH• Lime (Ca(OH)2)Oksidator:• H2O2

• Wet oxidation• Ozonolisis

Biologi Jamur: • Meningkatkan luas area spesifik dan ukuran pori

• Degradasi hemiselulosa• Degradasi lignin

• Brawn root fungi• White root fungiBakteri

Sumber: Alvira dkk. (2010); Hendriks dan Zeeman (2009); Kumar dan Sharma (2017); Maurya dkk. (2015); Mosier dkk. (2005); Taherzadeh dan Karimi (2008); Timilsena (2012)


F. KesimpulanProses perlakuan awal yang efektif pada biomassa diindikasikan oleh besar persentase degradasi lignin. Proses ini dinilai sebagai tahap yang penting dalam proses konversi lignoselulosa menjadi etanol. Meskipun penelitian perlakuan awal telah banyak dilakukan, peluang pengembangannya masih terbuka karena bervariasinya sumber dan karakteristik bahan lignoselulosa. Bahan baku yang berbeda memerlukan perlakuan awal yang berbeda pula. Oleh karena itu, tidak ada satu metode umum yang berlaku untuk semua bahan lignoselulosa. Upaya yang dapat dilakukan adalah mening-katkan nilai ekonomi lignin sebagai komponen hasil degradasi perlakuan awal.

Daftar PustakaAgbor, V. B., Cicek, N., Sparling, R., Berlin, A., & Levin, D. B.

(2011). Biomass pretreatment: Fundamentals toward application. Biotechnology Advances, 29(6), 675–685. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2011.05.005.

Alizadeh, H., Teymouri, F., Gilbert, T. I., & Dale, B. E. (2005). Pretreatment of switchgrass by ammonia fiber explosion (AFEX). Applied Biochemistry and Biotechnology, 121, 1133–1134.

Alvarez-vasco, C., & Zhang, X. (2013). Bioresource technology alkaline hydrogen peroxide pretreatment of softwood: Hemicellulose degradation pathways. Bioresource Technology, 150, 321–327. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.10.020.

Alvira, P., Ballesteros, M., & Negro, M. J. (2010). Bioresource technology pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresource Technology, 101(13), 4851–4861. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.11.093.

Amriani, F., Barlianti, V., Muryanto, & Sari, A. A. (2015). Activated carbon from lignin-based black liquor coagulated by polyaluminium chloride. Procedia Chemistry, 16, 134–140. https://doi.org/10.1016/j.proche.2015.12.041.

Amriani, F., Salim, F. A., Iskandinata, I., Khumsupan, D., & Barta, Z. (2016). Physical and biophysical pretreatment of water hyacinth biomass


for cellulase enzyme production. Chemical Biochemical Engineering Quarterly, 30(2), 237–244. https://doi.org/10.15255/CABEQ.2015.2284.

An, Y., Zong, M., Wu, H., & Li, N. (2015). Pretreatment of lignocellulosic biomass with renewable cholinium ionic liquids: Biomass fractionation, enzymatic digestion and ionic liquid reuse. Bioresource Technology, 192, 165–171. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.05.064.

Anastas, P., & Eghbali, N. (2010). Green chemistry: Principles and practice. Chem. Soc. Rev., 39, 301–312. https://doi.org/10.1039/b918763b.

Bak, J. S. (2014). Electron beam irradiation enhances the digestibility and fermentation yield of water-soaked lignocellulosic biomass. Bio-technology Reports, 4, 30–33. https://doi.org/10.1016/j.btre.2014.07.006.

Balan, V., Bals, B., Chundawat, S. P. S., Marshall, D., & Dale, B.E. (2009). Lignocellulosic biomass pretreatment using AFEX. Dalam Jonathan R. Mielenz (ed.), Biofuels: Methods and protocols, 581, 61–77. https://doi.org/10.1007/978-1-60761-214-8.

Ballesteros, I., Negro, M. J., Oliva, J. M., Cabanas, A., Manzanares, P., & Ballesteros, M. (2006). Ethanol production from steam-explosion pretreated wheat straw. Applied Biochemistry and Biotechnology, 129, 496–508.

Bals, B., Wedding, C., Balan, V., Sendich, E., & Dale, B. (2011). Evaluating the impact of ammonia fiber expansion (AFEX) pretreatment conditions on the cost of ethanol production. Bioresource Technology, 102(2), 1277–1283. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.08.058.

Brandt-Talbot, A., Gschwend, F. J. V., Fennell, P. S., Lammens, T. M., Tan, B., Weale, J., & Hallett, J. P. (2017). An economically viable ionic liquid for the fractionation of lignocellulosic biomass. Green Chemistry, 19, 3078–3102. https://doi.org/ 10.1039/C7GC00705A.

Brandt, A., Grasvik, J., Hallet, J. P., & Welton, T. (2013). Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chemistry, 2 (15), 550–583.

Brosse, N., Sannigrahi, P., & Ragauskas, A. (2009). Pretreatment of miscanthus x giganteus using the ethanol organosolv process for ethanol production. Industrial & Engineering Chemistry Research, 48(18), 8328–8334. https://doi.org/10.1021/ie9006672.

Bukhari, N. A., Abu Bakar, N., Soh, K. L., & Choo, Y. M. (2014). Bioethanol production by fermentation of oil palm empty fruit bunches pretreated with combined chemicals. Journal Applied Environmental and Biological Sciences, 4(10), 234–242.


Bule, M. V., Gao, A. H., Hiscox, B., & Chen, S. (2013). Structural modification of lignin and characterization of pretreated wheat straw by ozonation. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 61, 3916–3925.

Bussemaker, M. J., & Zhang, D. (2013). Effect of ultrasound on lignocellulosic biomass as a pretreatment for biorefinery and biofuel applications. Industrial and Engineering Chemistry Research, 52, 3563–3580.

Campbell, T. J., Teymouri, F., Bals, B., Glassbrook, J., Nielson, C. D., & Videto, J. (2014). A packed bed ammonia fiber expansion reactor system for pretreatment of agricultural residues at regional depots. Biofuels, 4(1), 23–34. https://doi.org/10.4155/bfs.12.71.

Capolupo, L., & Faraco, V. (2016). Green methods of lignocellulose pretreatment for biorefinery development. Applied Microbiology and Biotechnology, 100(22), 9451–9467. https://doi.org/10.1007/s00253-016-7884-y.

Chang, V. S., & Holtzapple, M. T. (2000). Fundamental factors affecting biomass enzymatic reactivity. Applied Biochemistry And Biotechnology, 84, 5–6.

Chang, V. S., Nagwani, M., Kim, C. H., & Holtzapple, M. T. (2001). Oxidative lime pretreatment of high-lignin biomas. Applied Biochemistry and Biotechnology, 94, 1–28.

Chaturvedi, V., & Verma, P. (2013). An overview of key pretreatment processes employed for bioconversion of lignocellulosic biomass into biofuels and value added products. 3 Biotech., 3(5), 415–431. https://doi.org/10.1007/s13205-013-0167-8.

Choi, W.-I., Park, J.-Y., Lee, J.-P., Oh, Y.-K., Park, Y. C., Kim, J. S., … Lee, J.-S. (2013). Optimization of NaOH-catalyzed steam pretreatment of empty fruit bunch. Biotechnology for Biofuels, 6, 170. https://doi.org/10.1186/1754-6834-6-170.

Chundawat, S. P. S., Beckham, G. T., Himmel, M. E., & Dale, B. E. (2011). Deconstruction of lignocellulosic biomass to fuels and chemicals. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering, 2, 121–145. https://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-061010-114205.

Da Costa Sousa, L., Chundawat, S. P., Balan, V., & Dale, B. E. (2009). “Cradle-to-grave” assessment of existing lignocellulose pretreatment technologies. Current Opinion in Biotechnology, 20(3), 339–347. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2009.05.003.

Dahnum, D., Barlianti, V., Sembiring, K. C., Kristiani, A., Muryanto, M., & Sudiyani, Y. (2017). Effect of combining electron beam irradiation


and alkaline pretreatments of OPEFB for enzymatic hydrolysis and fermentation of ethanol. Jurnal Kimia Terapan Indonesia (JKTI), 19(1), 1–10.

Danu, S., & Kardha, M. S. (2012). Electron beam degradation of oil palm empty fruit bunch. Journal of Environment and Bioenergy, 3(3), 168–179.

Ethaib, S., Omar, R., Kamal, S. M., & Biak, D. R. A. (2015). Microwave-assisted pretreatment of lignocellulosic biomass: A review. Journal of Engineering Science and Technology, 97–109.

García-Cubero, M. T., González-Benito, G., Indacoechea, I., Coca, M., & Bolado, S. (2009). Effect of ozonolysis pretreatment on enzymatic digestibility of wheat and rye straw. Bioresource Technology, 100(4), 1608–1613. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.09.012.

Hahn-Hagerdal, B., Galbe, M., Gorwa-Grauslund, M. F., Liden, G., & Zacchi, G. (2006). Bio-ethanol the fuel of tomorrow from the residues of today. Trends in Biotechnology, 24(12), 549–556. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2006.10.004.

Hendriks, A. T. W. M., & Zeeman, G. (2009). Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 100(1), 10–18. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.05.027.

Hermiati, E., Anita, S. H., Risanto, L., Styarini, D., Sudiyani, Y., Hanafi, A., & Abimanyu, H. (2013). Biological pretreatment of oil palm frond fiber using white-rot fungi for enzymatic saccharification. Makara Seri Teknologi, 17(1), 39–43. https://doi.org/10.7454/mst.v17i1.1926.

Higuchi, T. (2004). Microbial degradation of lignin: Role of lignin peroxidase, manganese peroxidase, and laccase. Proceedings of the Japan Academy, Series B, 80(5), 204–214. https://doi.org/10.2183/pjab.80.204.

Hsu, T. A., Ladisch, M. R., Tsao, G. T. (1980). Alcohol from cellulose. Chemical Technology 10(5), 315–319.

Jibouri, A. K. H. Al, Turcotte, G., Wu, J., & Cheng, C. (2015). Ozone pretreatment of humid wheat straw for biofuel production. Energy Science and Engineering, 3, 541–548. https://doi.org/10.1002/ese3.93.

Jönsson, L. J., Alriksson, B., & Nilvebrant, N. (2013). Bioconversion of lignocellulose: Inhibitors and detoxification, Biotechnology for Biofuuels 6(1), 1–10.

Jönsson, L. J., & Martín, C. (2016). Pretreatment of lignocellulose: Formation of inhibitory by-products and strategies for minimizing their effects.


Bioresource Technology, 199, 103–112. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.10.009.

Kan, T., Strezov, V., & Evans, T. J. (2016). Lignocellulosic biomass pyrolysis: A review of product properties and effects of pyrolysis parameters. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 57, 1126–1140. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.12.185.

Kelin, H., Rui, W., Yan, C., Huiquan, L., & Wang, J. (2013). Recycling and reuse of ionic liquid in homogeneous cellulose acetylation. Chinese Journal of Chemical Engineering, 21(5), 577–584. https://doi.org/10.1016/S1004-9541(13)60524-8.

Keshwani, D. R., Cheng, J. J., Burns, J. C., & Chiang, V. (2007). Microwave pretreatment of switchgrass to enhance enzymatic hydrolysis. Conference Presentations and White Papers: Biological Systems Engineering.

Kim, K. H., & Hong, J. (2001). Supercritical CO2 pretreatment of lignocellulose enhances enzymatic cellulose hydrolysis. Bioresource Technology, 77, 139–144.

Kim, Y., Hendrickson, R., Mosier, N. S., & Ladisch, M. R. (2009). Liquid hot water pretreatment of cellulosic biomass. Dalam J. R. Mielenz (Ed.), Biofuels: Methods and protocols. Totowa, NJ: Humana Press.

Koppram, R., Tomas-Pejo, E., Xiros, C., & Olsson, L. (2014). Lignocellulosic ethanol production at high-gravity: Challenges and perspectives. Trends in Biotechnology, 32(1), 46–53. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2013.10.003.

Kristiani, A., Effendi, N., Aristiawan, Y., Aulia, F., & Sudiyani, Y. (2015). Effect of combining chemical and irradiation pretreatment process to characteristic of oil palm’s empty fruit bunches as raw material for second generation bioethanol. Energy Procedia, 68 (Supplement C), 195–204. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.248.

Kristiani, A., Effendi, N., Styarini, D., Aulia, F., & Sudiyani, Y. (2016). The effect of pretreatment by using electron beam irradiation on oil palm empty fruit bunch. Atom Indonesia, 42(1), 9–12. https://doi.org/10.17146/aij.2016.472.

Kullander, S. (2010). Food security: Crops for people not for cars. Ambio, 39(3), 249–256. https://doi.org/10.1007/s13280-010-0032-5.

Kumar, A. K., & Sharma, S. (2017). Recent updates on different methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks: A review. Bioresources and Bioprocessing, 4(1), 7. https://doi.org/10.1186/s40643-017-0137-9.


Lee, Y. ., Iyer, P., & Torget, R. W. (1999). Dilute-acid hydrolysis of lignocellulosic biomass. Advances in Biochemical Engineering and Biotechnology, 65, 93–115.

Liu, X., Xu, W., Mao, L., Zhang, C., Yan, P., Xu, Z., & Zhang, Z. C. (2016). Lignocellulosic ethanol production by starch-base industrial yeast under PEG detoxification. Scientific Reports, 6, 20361–20371. https://doi.org/10.1038/srep20361.

Lloyd, T. A., & Wyman, C. E. (2005). Combined sugar yields for dilute sulfuric acid pretreatment of corn stover followed by enzymatic hydrolysis of the remaining solids. Bioresource Technology, 96(18), 1967–1977. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.01.011.

Macquarrie, D. J., Clark, J. H., & Fitzpatrick, E. (2012). The microwave pyrolysis of biomass. Biofuels Bioproducts & Biorefining, 6(5), 549–560. https://doi.org/10.1002/bbb.1344.

Macrelli, S., Mogensen, J., & Zacchi, G. (2012). Techno economic evaluation of 2nd generation bioethanol production from sugar cane bagasse and leaves integrated with the sugar based ethanol process. Biotechnology for Biofuels, 5, 22.

Mantanis, G. I., Young, R. A., & Rowell, R. M. (1995). Swelling of compressed cellulose fiber webs in organic liquids. Cellulose, 2, 1–22. https://doi.org/10.1007/BF00812768.

Martin, C., Galbe, M., Nilvebrant, N. O., & Jonsson, L. J. (2002). Comparison of the fermentability of enzymatic hydrolyzates of sugarcane bagasse pretreated by steam explosion using different impregnating agents. Applied Biochemistry and Biotechnology, 98, 699–716.

Maurya, D. P., Singla, A., & Negi, S. (2015). An overview of key pretreatment processes for biological conversion of lignocellulosic biomass to bioethanol. 3 Biotech, 5(5), 597–609. https://doi.org/10.1007/s13205-015-0279-4.

McMillan, J. D. (1997). Bioethanol production: Status and prospects. Renewable Energy, 10(2), 295–302.

Mesa, L., González, E., Cara, C., González, M., Castro, E., & Mussatto, S. I. (2011). The effect of organosolv pretreatment variables on enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. Chemical Engineering Journal, 168(3), 1157–1162. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.02.003.


Moller, M., Nilges, P., Harnisch, F., & Schrçder, U. (2011). Subcritical water as reaction environment: Fundamentals of hydrothermal biomass transformation. Chem. Sus. Chem., 4, 566–579. https://doi.org/10.1002/cssc.201000341.

Moreno, A. D., Ibarra, D., Alvira, P., Toma, E., & Ballesteros, M. (2015). A review of biological delignification and detoxification methods for lignocellulosic bioethanol production. Critical Reviews in Biotechnology, 35(3), 342–354. https://doi.org/10.3109/07388551.2013.878896.

Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y. Y., Holtzapple, M., & Ladisch, M. (2005). Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 96(6), 673–686. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.06.025.

Moutta, R. O., Chandel, A. K., Rodrigues, R. C. L. B., Silva, M. B., Rocha, G. J. M., & Silva, S. S. (2011). Statistical optimization of sugarcane leaves hydrolysis into simple sugars by dilute sulfuric acid catalyzed process. Sugar Tech. 14(1), 53–60. https://doi.org/10.1007/s12355-011-0116-y.

Muryanto, M., Hanifah, U., Amriani, F., Ibadurrahman, A. F., & Sari, A. A. (2017). Fenton process combined with coagulation for the treatment of black liquor from bioethanol wastewater. AIP Conference Proceedings, 1904 (1). https://doi.org/10.1063/1.5011934.

Muryanto, M., Sudiyani, Y., & Abimanyu, H. (2016). Optimization of NaOH alkali pretreatment of oil palm empty fruit bunch for bioethanol. InaJAC, 18(1), 27–35.

O’Sullivan, A. C. (1997). Cellulose: The structure slowly unravels. Cellulose, 4(3), 173–207. https://doi.org/Chemistry and Materials Science.

Öhgren, K., Bura, R., Saddler, J., & Zacchi, G. (2007). Effect of hemicellulose and lignin removal on enzymatic hydrolysis of steam pretreated corn stover. Bioresource Technology, 98, 2503–2510. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.09.003.

Ohgren, K., Galbe, M., & Zacchi, G. (2005). Optimization of steam pretreatment of SO2-impregnated corn stover for fuel ethanol production. Applied Biochemistry and Biotechnology, 121, 1055–1067.

Oliva, J. M., Negro, M. J., Manzanares, P., Ballesteros, I., Chamorro, M.Á., Felicia, S., ... Moreno, A.D. (2017). A sequential steam explosion and reactive extrusion pretreatment for lignocellulosic biomass conversion within a fermentation-based biorefinery perspective. Fermentation, 3(2), 15. https://doi.org/10.3390/fermentation3020015.


Quesada, J., Rubio, M., & Gomez, D. (1999). Ozonation of lignin rich solid fractions from corn stalks. Journal of Wood Chemistry and Technology, 19(1–2), 115–137. https://doi.org/10.1080/02773819909349603.

Ramos, L.P. (2003). The chemistry involved in the steam treatment of lignocellulosic materials. Quim Nova, 26(6), 863–871.

Rocha-Meneses, L., Raud, M., Orupõld, K., & Kikas, T. (2017). Second-generation bioethanol production: A review of strategies for waste valorisation. Agronomy Research, 15(3), 830–847.

Sabiha-hanim, S., Azemi, M., Noor, M., & Rosma, A. (2011). Bioresource technology effect of autohydrolysis and enzymatic treatment on oil palm (Elaeis guineensis Jacq.) frond fibres for xylose and xylo-oligosaccharides production. Bioresource Technology, 102(2), 1234–1239. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.08.017.

Sahadevan, L. D. M., Misra, C. S., & Thankamani, V. (2013). Ligninolytic enzymes for application in treatment of effluent from pulp and paper industries. Universal Journal of Environmental Research and Technology, 3(1), 14–26.

Sari, A. A., Amriani, F., & Anggraini, R. I. F. (2016). Performance of Ceriporiopsis sp. in the treatment of black liquor wastewater. Jurnal Teknologi Lingkungan, 17(2), 58–65.

Sasmal, S., Goud, V. V, & Mohanty, K. (2012). Ultrasound assisted lime pretreatment of lignocellulosic biomass toward bioethanol production. Energy and Fuels, 26, 3777–3784.

Schacht, C., Zetzl, C., & Brunner, G. (2009). From plant materials to ethanol by means of supercritical fluid technology. Journal of Supercritical Fluids, 46, 299–321.

Shirkavand, E., Baroutian, S., Gapes, D. J., & Young, B. R. (2016). Combination of fungal and physicochemical processes for lignocellulosic biomass pretreatment—A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 54, 217–234. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.10.003.

Sidiras, D. K., & Salapa, I. S. (2015). Organosolv pretreatment as a major step of lignocellulosic biomass refining. Engineering Conferences International.

Simanungkalit, S. P., Mansur, D., Nurhakim, B., Agustin, A., Rinaldi, N., Muryanto, & Fitriady, M. (2016). Hydrothermal pretreatment of palm oil empty fruit bunch. AIP Conference Proceedings (Vol. 1803).

Singh, J. K., Vyas, P., Dubey, A., Upadhyaya, C. P., & Kothari, R. (2018). Assessment of different pretreatment technologies for effcient


bioconversion of lignocellulose to ethanol. Frontiers in Bioscience, Scholar, 10, 350-371.

Sjöström, E. (1993). Wood chemistry - fundamental and application (second edition). San Diego: Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-092589-9.50003-6.

Stephanidis, S., Nitsos, C., Kalogiannis, K., Iliopoulou, E. F., Lappas, A. A., & Triantafyllidis, K. S. (2011). Catalytic upgrading of lignocellulosic biomass pyrolysis vapours: Effect of hydrothermal pre-treatment of biomass. Catalysis Today, 167(1), 37–45. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2010.12.049.

Subhedar, P. B., & Gogate, P. R. (2016). Use of utrasound for pretreatment of biomass and subsequent hydrolysis and fermentation. Dalam Biomass fractionation technologies for a lignocellulosic feedstock based biorefinery (127–146).

Sudiyani, Y., & Hermiati, E. (2010). Utilization of oil palm empty fruit bunch for bioethanol production through alkali and dilute acid pretreatment and saccharification and fermentation. Indonesian J. of Chemistry, 10(2), 261–267.

Sudiyani, Y., Triwahyuni, E., Burhani, D., & Waluyo, J. (2016). Alkaline pretreatment of sweet sorghum bagasse for bioethanol production. Int. Journal of Renewable Energy Development, 5(2), 113–118. http://dx.doi.org/10.14710/ijred.5.2.113-118.

Sun, N., Rahman, M., Qin, Y., Maxim, M. L., Rodríguez, H., & Rogers, R. D. (2009). Complete dissolution and partial delignification of wood in the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate. Green Chemistry, 11(5), 646–655. https://doi.org/10.1039/b822702k.

Sun, X., Sun, X., & Zhang, F. (2016). RSC advances by solid base (calcined Na 2 SiO 3 ) and ionic liquid for enhanced enzymatic saccharification. RSC Advances, 101, 99455–99466. https://doi.org/10.1039/C6RA22055J.

Sun, Y., & Cheng, J. (2002). Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: A review. Bioresource Technology, 83(1), 1–11. https://doi.org/10.1016/S0960-8524(01)00212-7.

Tabka, M. G., Herpo, I., Monod, F., Asther, M., & Sigoillot, J.C. (2006). Enzymatic saccharification of wheat straw for bioethanol production by a combined cellulase xylanase and feruloyl esterase treatment. Enzyme and Microbial Technology, 39(4), 897–902. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2006.01.021.


Taherzadeh, M. J., & Karimi, K. (2008). Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: A review. International Journal of Molecular Sciences, 9(9), 1621–1651. https://doi.org/10.3390/ijms9091621.

Tanahashi, M. (1990). Characterization and degradation mechanisms of wood components by steam explosion and utilization of exploded wood. Wood Research: Bulletin of the Wood Research Institute Kyoto University, 77, 49–117.

Timilsena, Y. P. (2012). Effect of different pretreatment methods in combination with the organosolv delignification process and enzymatic hydrolysability of three feedstocks in correlation with lignin structure. Asian Institute of Technology.

Travaini, R., Martín-juárez, J., Lorenzo-hernando, A., & Rodriguez, S. B. (2016). Ozonolysis: An advantageous pretreatment for lignocellulosic biomass revisited. Bioresource Technology, 199, 2–12. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.143.

Triwahyuni, E., Muryanto, M., Fitria, I., & Sudiyani, Y. (2013). Pengaruh perlakuan awal irradiasi berkas elektron terhadap proses hidrolisis enzimatis pada pembuatan bioetanol dari tandan kosong kelapa sawit. Seminar Nasional Kimia Terapan Indonesia, 4, 79–84.

Valentine, J., Clifton-Brown, J., Hastings, A., Robson, P., Allison, G., & Smith, P. (2012). Food vs. fuel: The use of land for lignocellulosic “next generation” energy crops that minimize competition with primary food production. GCB Bioenergy, 4, 1–19. https://doi.org/10.1111/j.1757-1707.2011.01111.x.

Verdia, P., Brandt, A., Hallet, J. ., Ray, M. J., & Welton, T. (2014). Fractionation of lignocellulosic biomass with the ionic liquid 1-butylimidazolium hydrogen sulfate. Green Chemistry, 16, 1617–1627. https://doi.org/ 10.1039/c3gc41742e.

Weerasai, K., Suriyachai, N., Poonsrisawat, A., Arnthong, J., Unrean, P., ... Champreda, V. (2014). Sequential acid and alkaline pretreatment of rice straw for bioethanol fermentation. Bioresources, 9(4), 5988–6001.

Wilkes, J. S., & Zawarotko, M. J. (1992). Air and water stable i- ethyl-3-methylimidazolium based ionic liquids. Journal of the Chemicals Society, Chemical Communications, 965–967.

Wong, D. W. S. (2009). Structure and action mechanism of ligninolytic enzymes. Applied Biochemistry and Biotechnology, 157(2), 174–209. https://doi.org/10.1007/s12010-008-8279-z.


Wooley, R., Ruth, M., Glassner, D., & Sheehan, J. (1999). Process design and costing of bioethanol technology: A tool for determining the status and direction of research and development. Biotechnology Progress, 15, 794–803.

Wyman, C. E. (2007). What is (and is not) vital to advancing cellulosic ethanol. Trends in Biotechnology, 25(4), 153–157. https://doi.org/10.1016/ j.tibtech.2007.02.009.

Wyman, C. E., Dale, B. E., Elander, R. T., Holtzapple, M., Ladisch, M. R., & Lee, Y. Y. (2005). Comparative sugar recovery data from laboratory scale application of leading pretreatment technologies to corn stover. Bioresource Technology, 96(18), 2026–2032. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.01.018.

Zhan, X., Wang, D., Bean, S. R., Mo, X., Sun, X. S., & Boyle, D. (2006). Ethanol production from supercritical-fluid-extrusion cooked sorghum. Industrial Crops and Products, 23(3), 304–310. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2005.09.001.

Zhao, X., Cheng, K., & Liu, D. (2009). Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Applied Microbiology and Biotechnology, 82(5), 815–827. https://doi.org/10.1007/s00253-009-1883-1.

Zhao, X., Zhang, L., & Liu, D. (2012). Biomass recalcitrance. Part II: Fundamentals of different pre-treatments to increase the enzymatic digestibility of lignocellulose. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 6(3), 246–256. https://doi.org/10.1002/bbb.1350.

Zheng, J., Choo, K., Bradt, C., Lehoux, R., & Rehmann, L. (2014). Enzymatic hydrolysis of steam exploded corncob residues after pretreatment in a twin-screw extruder. Biotechnology Reports, 3, 99–107. https://doi.org/10.1016/j.btre.2014.06.008.

Zheng, J., & Rehmann, L. (2014). Extrusion pretreatment of lignocellulosic biomass: A review. International Journal of Molecular Sciences, 15(10), 18967–18984. https://doi.org/10.3390/ijms151018967.

Zheng, Y., Pan, Z., & Zhang, R. (2009). Overview of biomass pretreatment for cellulosic ethanol production. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2(3), 51–68. https://doi.org/10.3965/j.issn.1934-6344.2009.03.051-068.

Zhu, J. Y., & Pan, X. J. (2010). Woody biomass pretreatment for cellulosic ethanol production: Technology and energy consumption evaluation. Bioresource Technology, 101(13), 4992–5002. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.11.007.


Zhu, J. Y., Wang, G. S., Pan, X. J., & Gleisner, R. (2009). Specific surface to evaluate the efficiencies of milling and pretreatment of wood for enzymatic saccharification. Chemical Engineering Science, 64(3), 474–485. https://doi.org/10.1016/j.ces.2008.09.026.

Zhu, Z., Macquarrie, D. J., Simister, R., Gomez, L. D., & Mason, S. J. M. (2015). Microwave assisted chemical pretreatment of Miscanthus under different temperature regimes. Sustainable Chemical Processes, 3(15), 1–13. https://doi.org/10.1186/s40508-015-0041-6.

Zhuang, X., Wang, W., Yu, Q., Qi, W., Wang, Q., Tan, X., … Yuan, Z. (2016). Liquid hot water pretreatment of lignocellulosic biomass for bioethanol production accompanying with high valuable products. Bioresource Technology, 199, 68–75. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.051.

117

5HIDROLISIS-FERMENTASI

BIOETANOL GENERASI DUA

Dian Burhani, Eka Triwahyuni, Deliana Dahnum, dan Yanni Sudiyani

Teknologi konversi biomassa menjadi bioetanol merupakan teknologi yang mempunyai nilai ekonomi tinggi karena da-

pat memanfaatkan limbah lignoselulosa sebagai bahan bakunya. Lignoselulosa adalah komponen organik yang utamanya terdiri atas selulosa, hemiselulosa dan lignin. Komponen ini dapat meng-hasilkan gula, etanol dan bahan kimia lainnya. Secara garis besar produksi bioetanol G2 dikelompokkan menjadi empat tahapan proses. Tahap pertama diawali dengan proses perlakuan awal dengan tujuan delignifikasi dan dekristalisasi; dilanjutkan proses hidrolisis/sakarifikasi untuk menghasilkan gula monomer C6 dan C5; proses fermentasi gula menjadi etanol menggunakan mikrob dan tahapan keempat adalah proses pemurnian melalui distilasi dan dehidrasi. Bab ini akan membahas proses hidrolisis-fermentasi produksi bioetanol G2.


A. Teknologi HidrolisisHidrolisis holoselulosa (hemiselulosa dan selulosa) menjadi gula monomer adalah tahap kedua setelah proses perlakuan awal dalam proses produksi bioetanol G2. Pada tahap hidrolisis, selu losa dan hemiselulosa diubah menjadi gula sederhana se per ti yang diperlihatkan pada persamaan reaksi (1) dan (2).

( )6 10 5 2 6 12 6nC H O nH O nC H O+ → (1)

Reaksi hidrolisis selulosa pada persamaan reaksi (1) memper-lihatkan bahwa setiap unit glukosa dalam rantai panjang bergabung dengan molekul air, 162 unit massa selulosa dan 18 unit massa air akan melepaskan 180 unit glukosa. Dari persamaan ini didapatkan bahwa faktor konversi selulosa menjadi glukosa adalah 1,111. Oligomer yang terdiri atas beberapa glukosa juga dapat dihasilkan sebagai produk antara dalam hidrolisis selulosa. Oligomer yang sering terbentuk adalah selobiosa yang mengandung 2 unit glukosa (Wyman, Decker, Himmel, Brady, & Skopec, 2005).

Hemiselulosa juga dapat dihidrolisis dengan penambahan air untuk melepaskan gula monomer. Gula monomer yang ter-bentuk dari hidrolisis hemiselulosa adalah silosa (pentosa) atau n-arabinosa. Pada persamaan reaksi (2), diperlihatkan bahwa 132 unit massa hemiselulosa dan 18 unit massa air akan melepaskan 150 unit massa gula pentosa (Wyman dkk., 2005). Faktor konversi hemiselulosa ke gula pentosa (silosa) adalah 1,136 (Kang, Appels, Tan, & Dewil, 2014).

( )5 8 4 2 5 10 5nC H O nH O nC H O+ → (2)

Proses hidrolisis biomassa lignoselulosa dapat dilakukan menggunakan bahan kimia atau enzim.

Hidrolisis-Fermentasi Bioetanol ... 119

1. Hidrolisis KimiaHidrolisis kimia adalah perlakuan biomassa lignoselulosa dengan bahan kimia pada waktu dan temperatur tertentu yang memecah polimer selulosa dan hemiselulosa menjadi monomer gulanya (glukosa dan xilosa) (Taherzadeh & Karimi, 2008). Bahan kimia yang dominan digunakan pada proses hidrolisis adalah asam. Beberapa jenis asam dapat digunakan untuk hidrolisis, seperti asam sulfat, asam klorida, asam fluorida, asam fosfat, asam nitrat dan asam format (Galbe & Zacchi, 2002). Kemampuan asam sulfat pekat dalam melarutkan dan menghidrolisis selulosa pada kapas dan dilanjutkan dengan pengenceran oleh air telah dilakukan pada awal tahun 1883 (Harris, 1949). Pada umumnya, selulosa berben-tuk kristalin dan keras sehingga pada saat hidrolisis dibutuhkan konsentrasi asam dan temperatur yang tinggi. Konsentrasi asam yang digunakan untuk proses hidrolisis adalah antara 10-30%. Penggunaan asam dengan konsentrasi tinggi pada kondisi proses temperatur rendah dapat menghasilkan perolehan selulosa yang tinggi (90% perolehan glukosa teoretis) (Verardi, Bari, Ricca, & Calabrò, 2012). Untuk mendapatkan konversi selulosa yang tinggi, penggunaan asam dengan konsentrasi rendah (antara 2–5%), harus dibarengi dengan temperatur yang tinggi (Verardi dkk., 2012). Pada Tabel 5.1 dapat dilihat kelebihan dan kekurangan metode hidrolisis menggunakan asam pekat (konsentrasi tinggi) dan asam encer (konsentrasi rendah).

Hidrolisis hemiselulosa menggunakan asam hampir sama dengan selulosa. Asam berfungsi untuk memotong rantai panjang hemi selulosa menjadi rantai pendek oligomer kemudian menjadi monomer gula. Hemiselulosa pada umumnya berbentuk amorf sehingga tidak diperlukan kondisi proses yang tinggi seperti pada hidrolisis selulosa. Sebagai contoh, perolehan monomer gula


sampai dengan 85–90% dapat dihasilkan dari hemiselulosa pada kondisi proses temperatur sekitar 160°C, waktu reaksi 10 menit dan konsentrasi asam hanya 0,7% (Wyman dkk., 2005). Pada 1991, BC International dari Amerika Serikat menggunakan teknologi hidrolisis dua tahap dengan asam encer. Hidrolisis pertama yang bertujuan untuk memecah hemiselulosa dilakukan pada kondisi sedang (170–190oC), dilanjutkan hidrolisis kedua untuk selulosa pada temperatur 200–230°C (Wyman, 1999). Beberapa contoh penelitian hidrolisis menggunakan asam encer dapat dilihat pada Tabel 5.2.

Tabel 5.1 Kelebihan dan Kekurangan pada Hidrolisis Asam Pekat dan Asam Encer

Metode Hidrolisis Kelebihan Kekurangan Keterangan

Proses dengan asam pekat

• Kondisi proses pada temperatur rendah

• Perolehan monomer gula tinggi

• Konsumsi asam tinggi• Terjadi korosi pada

peralatan• Konsumsi energi tinggi

untuk pengambilan kembali asam

Konsentrasi asam 10–30%

Proses dengan asam encer

Konsumsi asam rendah

• Kondisi proses pada temperatur tinggi

• Perolehan monomer gula rendah

• Terjadi korosi pada peralatan

• Terbentuk produk samping yang tidak diinginkan seperti furfural dan 5-hidroksimetil-furfural (HMF)

Konsentrasi asam 2–5%

Sumber: Taherzadeh dan Karimi (2007); Verardi dkk. (2012)


Tabel 5.2 Penelitian Hidrolisis Lignoselulosa Menggunakan Asam Encer

Biomassa Lignoselulosa

Kondisi proses hidrolisis asam

Hasil HidrolisisReferensi

Gula (g/L) Inhibitor (g/L)

Jerami Padi 1,5% H2SO4; 130 oC; 30 menit; S:L= 1:10

Silosa 17,2; Glukosa 4,3;Arabinosa 3,3

Asetat 1,43; HMF 0,15; Furfural 0,25

(Baek & Kwon, 2007)

Jerami Gandum

1,85% (w/v) H2SO4;90 oC; 18 jam; S:L= 1:20

Silosa 12,80±0,25; D-Glukosa 1,70±0,30L-arabinosa 2,60±0,21

Furfural 0,15±0,02; asam asetat 2,70±0,33

(Nigam, 2001)

Limbah jagung

2,13% H2SO4; 180 menit;121 oC; S:L= 1:10

Silosa 9,09; Glukosa 2,13; Arabinosa 1,01

Asam asetat 1,48;Furan 0,56;Fenolik 0,08

(Cao dkk., 2009)

Bagas Tebu 2,5% (v/v) HCL; 140 oC; 30 menit; S:L= 1:10

Total gula pereduksi (TRS) 30,29

Furan 1,89; Fenolik 2,75; Asam asetat 5,45

(Chandel, Kapoor, Singh, & Kuhad, 2007)

Daun Tebu 2,9% (w/v) H2SO4; 130 oC; 30 menit; S:L= 1:4

Total gula pereduksi (TRS) 56,5

Asam asetat 3,19; Furfural 0,56; HMF 0,15

(Mouta dkk., 2011)

Daun Sorgum 2% H2SO4; 122 oC; 71 menit

Silosa 54,2; Glukosa 13,5; Arabinosa 1,2

Furfural 0,2 (Sepuvelda-Huerta, Tellez-Vuiz, Bocanegra-Garcia, Ramirez, & Vasquez, 2006)

Tandan kosong sawit

2% H2SO4; 119 oC; 60 menit

17,97 (g/g), yield 91,27%

(Rahman, Choudhury, Ahmad, & Kamaruddin, 2007)

Ket: S = Solid; L= Liquid Sumber: Anuj Kumar Chandel dkk. (2012)

2. Hidrolisis secara EnzimatisKata enzim berasal dari bahasa Yunani ”enzume” yang berarti di dalam yeast. Pada awalnya proses fermentasi gula menjadi


alkohol diduga hanya dapat terjadi apabila ada organisme hidup berupa yeast. Buchner (1897) dalam Bachruddin (2014) melakukan eksperimen proses fermentasi dengan menambahkan ekstrak yeast tanpa melibatkan sel hidup, hasil penelitian tersebut menginspirasi peneliti untuk mengisolasi dan memurnikan enzim.

Hidrolisis enzimatis menggunakan enzim sebagai katalisator reaksi. Polisakarida yang berbeda dalam biomassa lignoselulosa membutuhkan enzim yang berbeda untuk proses hidrolisis. En-zim selulase digunakan untuk proses hidrolisis selulosa (Duff & Murray, 1996). Hidrolisis hemiselulosa menggunakan enzim yang menyerang hemiselulosa.

Hidrolisis enzimatis atau sakarifikasi adalah tahapan proses perombakan senyawa polisakarida di dalam biomassa lignoselulosa (selulosa dan hemiselulosa) menjadi monomer gula penyusunnya (glukosa dan silosa) dengan bantuan enzim selulase yang bekerja secara spesifik. Enzim ini mengatalis perubahan dari selulosa tidak larut menjadi bentuk-bentuk gula sederhana yang larut dalam air seperti mono atau disakarida. Faktor-faktor yang memengaruhi proses hidrolisis enzimatis selulosa sebagia berikut.a. Suhu: makin tinggi suhu makin cepat reaksi kimia, suhu

yang terlalu tinggi menyebabkan pemecahan selulosa namun menyebabkan kerusakan enzim.

b. pH: pada umumnya enzim bersifat amfolitik, yang berarti enzim mempunyai konstanta disosiasi pada gugus asam maupun pada gugus basa. Enzim menunjukkan aktivitas maksimum pada kisaran pH 4,5–8,0.

c. Kadar air substrat: kadar air bahan sangat memengaruhi laju reaksi enzimatis. Pada kadar air yang rendah terjadi rintangan pada substrat sehingga difusi terhambat.


d. Konsentrasi substrat dan kondisi reaksi substrat: mekanisme kerja enzim ditentukan oleh jumlah atau konsentrasi substrat yang tersedia. Jika jumlah substrat sedikit maka kerja enzim rendah.

e. Konsentrasi enzim: konsentrasi enzim yang digunakan sangat memengaruhi kecepatan reaksi enzim.

f. Waktu hidrolisis: semakin lama waktu hidrolisis, maka kadar glukosa yang dihasilkan semakin besar.

Hidrolisis enzimatik dapat dilakukan secara terpisah dari fermentasi atau secara kombinasi dengan fermentasi. Hidrolisis enzimatis memiliki beberapa keuntungan dibandingkan hidrolisis asam, antara lain dapat menurunkan risiko korosi pada alat dan mengurangi kehilangan energi pada bahan bakar produksi. Selain itu, kelebihan dari hidrolisis enzimatis adalah gula yang dihasilkan seragam dan tidak mengandung produk-produk lain sebagai hasil degradasi glukosa. Hal tersebut penting apabila glukosa akan di-manfaatkan lebih lanjut untuk proses fermentasi.

Kekurangan dari hidrolisis enzimatis adalah berkurangnya laju hidrolisis yang disebabkan oleh inhibisi enzim seiring dengan meningkatnya konsentrasi glukosa di dalam reaktor (Sun & Cheng, 2002). Waktu proses hidrolisis dapat terjadi selama beberapa hari dibandingkan asam yang hanya memerlukan waktu beberapa menit. Selain itu, harga enzim cukup mahal bila dibandingkan asam. Beberapa enzim penghidrolisis gula yang sangat berperan dalam proses biokonversi lignoselulosa menjadi bioetanol disajikan dalam pembahasan berikut.

a. Enzim Selulase Enzim selulase merupakan enzim yang memegang peranan penting dalam proses biokonversi limbah-limbah organik berselulosa men-


jadi glukosa, protein sel tunggal, makanan ternak, dan lain-lain (Chalal, 1983). Reaksi yang ditimbulkan oleh selulase saat mengurai selulosa adalah hidrolisis maka selulase diklasifikasikan ke dalam jenis enzim hidrolase. Enzim selulase bukan merupakan enzim tunggal, tetapi terdiri atas tiga macam enzim, yaitu endo-β-1,4-glukanase (endoglukanase), exo-β-1,4-glukanase (eksoglukanase) atau selobiohidrolase, dan β-1,4 glukosidase atau selobiase. Ketiga tipe enzim tersebut memiliki peran yang berbeda dalam proses hidrolisis selulosa menjadi monosakarida.a. Endo-β-1,4-glukanase, menghidrolisis bagian amorf selulosa

secara acak menjadi senyawa-senyawa dengan bobot molekul yang lebih kecil (β-oligomer), seperti selodekstrin, selobiosa dan glukosa.

b. Ekso-β-1,4- glukanase (eksoglukanase) atau selobiohidrolase, menyerang struktur berkristal selulosa dan menghasilkan selobiosa (disakarida).

c. β-glukosidase atau selobiose akan mengubah satuan disa-karida menjadi dua molekul glukosa yang merupakan gula sederhana yang dapat diubah menjadi etanol (Lynd, Weimer, Van Zyl, & Pretorius, 2002).

Pada hidrolisis selulosa jumlah enzim yang diperlukan berbeda-beda, tergantung pada kadar padatan tidak larut air pada bahan yang akan dihidrolisis. Sampai tahap tertentu semakin banyak selulase yang digunakan, semakin tinggi rendemen kecepatan hidro lisis, namun juga meningkatkan biaya proses. Hidrolisis selulosa juga dapat dilakukan menggunakan mikrob yang menghasilkan enzim selulase, yaitu Trichoderma reesei, Trichoderma virtide dan Aspergil-lus niger. Jamur aerobik mesofilik, Trichoderma reseei QM 6a dan mutannya telah dipelajari secara intensif sebagai sumber penghasil selulase (Philippidis, 1996).


b. Enzim HemiselulaseHemiselulase adalah polimer heteropolisakarida yang merupa-kan multienzim dengan komponen utama C5 untuk memecah hemiselulosa. Enzim-enzim yang termasuk komponen hemise-lulase adalah silanase, β -mannanase, α-L-arabino-furanosidase, α-D-glukuronidase, β -silosidase dan hemisellulolitik esterase (Shoham & Shallom, 2003). Aspergillus niger, T. reesei, Bacillus dan Humicolainsolens adalah beberapa sumber penghasil silanase, temperatur optimumnya antara 40–60°C (Binod, Janu, Sindhu, & Pandey, 2011). Sistem enzim ini terdiri atas enzim hidrolitik yang bekerja sinergis dan mengubah silan menjadi gula penyusunnya. Degradasi lengkap silan memerlukan perlakuan kooperatif dari beberapa enzim berikut (Binod et dkk., 2011).1) Endo-1, 4-β-silanase (1, 4-β-d-silan silanohidrolases) memecah

ikatan glikosidik dalam silan menjadi silo-oligosakarida.2) β-silosidase (1,4-β-d-silan silohidrolase) bekerja membuka

sedikit oligosakarida dan selobiosa menghasilkan residu β-d-silopiranosil dari ujung nonreduksi.

3) α-arabinofuranosidase dan α-glukuronidase menghilangkan arabinosa dan pengganti 4-O-methyl glucuronic acid dari silan.Esterase bekerja membuka ikatan ester antara unit silosa pada

silan dan asam asetat (Acetyl xylan esterase) antara residu ikatan samping arabinosa dan asam fenolat seperti asam ferulat dan asam p-kumarat (p-coumaric acid esterase). Kondisi optimum enzim endosilanase dan β-D-silosidase pada temperatur 40–80°C dan pH 4–6,5 (Polizeli dkk., 2005).

c. Pengukuran Aktivitas EnzimBerdasarkan International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), satuan konsentrasi enzim untuk selulase dinyatakan


dalam Filter Paper Unit (FPU). FPU menyatakan aktivitas dari enzim selulase, yaitu konsentrasi enzim yang diperlukan untuk menghasilkan 2 mg gula pereduksi dari 50 mg kertas saring What-man selama 60 menit (Adney & Baker, 1996). Perhitungan aktivitas enzim dengan satuan FPU ini dapat menggunakan persamaan berikut ini.

( )0.37 /

2.0

Filter PaperUnit FPU

unit mlKonsentrasi enzimuntuk melepaskan mg glukosa

= (3)

“Enzim” merupakan bagian larutan enzim asli yang ada pada pengenceran enzim yang diuji langsung (pengenceran sebanyak 0,5 ml ditambahkan pada campuran assay). Nilai 0,37 pada persa-maan di atas berasal dari konversi 2,0 mg “ekuivalen glukosa” yang dihasilkan dari pengukuran menjadi mmol glukosa (2,0 : 0,18016), dari volum enzim yang diuji yang digunakan dalam pengukuran (0,5 ml) dan dari inkubasi 60 menit yang dibutuhkan untuk meng-hasilkan ekivalen reduksi. Sehingga,

( )0,37

2,0 mg glukosa / 0,18016 mg glukosa / mol mol ml0,5 ml enzim encer 60 menit menit

µ µ= ⋅

× (4)

Satuan lain enzim menurut standar internasional adalah In-ternational Unit (IU). IU didefinisikan sebagai jumlah enzim yang dibutuhkan untuk mengonversi 1 µmol substrat (membentuk 1 µmol produk)/menit (Bisswanger, 2014).

Carboxymethyl cellulase (CMC) adalah enzim yang spesifik di-gunakan untuk memotong ikatan endo-1,4-glukanase. Satuan CMC berdasarkan pada unit internasional (IU) dan perhitungannya sama dengan satuan FPU. 1 IU = 0,18 mg/menit jika produknya adalah glukosa. Jumlah kritis glukosa dalam pengukuan CMC adalah 0,5


mg. Jumlah glukosa ini dihasilkan dari 0,5 ml dalam waktu 30 menit. Sehingga,

1 10,50,50,18 0,5 30

mg glukosa mol menit mlµ − −=× × (5)

Jadi, jumlah perkiraan enzim (konsentrasi enzim kritis, ml/ml) yang melepaskan 0,5 mg glukosa dalam reaksi CMC mengandung 0,18 IU. Oleh karena itu, perhitungan aktivitas enzim dengan satuan CMC dilakukan dengan cara (Ghose, 1987) berikut ini.

0,185CMC = units / mlkonsentrasi enzim kritis (6)

B. Teknologi FermentasiProses pembuatan bioetanol dilakukan melalui proses fermentasi. Fermentasi berasal dari kata latin ferfere yang artinya mendidihkan. Dahulu, ketika ilmu pengetahuan masih sangat awal, terbentuknya gas dari suatu cairan kimia hanya dapat dianalogikan dengan proses air mendidih. Pada masa itu belum diketahui bahwa kejadian ter sebut dapat pula terjadi oleh terbentuknya gas-gas lain dalam cairan. Salah satunya adalah CO2 yang merupakan produk samping dari fermentasi, di mana terjadi perubahan kimia dari senyawa or-ganik dalam keadaan aerob atau anaerob melalui kerja enzim yang dihasilkan oleh mikrob menjadi suatu senyawa organik lainnya.

Seiring perkembangan teknologi, definisi fermentasi meluas menjadi semua proses yang melibatkan mikroorganisme untuk menghasilkan suatu produk (metabolit primer dan sekunder) dalam suatu lingkungan yang terkendali. Pada mulanya istilah fermentasi digunakan untuk menunjukan proses pengubahan glukosa menjadi etanol yang berlangsung secara anaerob. Kemudian, istilah fermen-tasi berkembang menjadi seluruh perombakan senyawa organik yang dilakukan mikroorganisme.


Reaksi pembentukan etanol terjadi karena adanya aktivitas dari mikrob pada substrat. Mikrob akan menggunakan materi yang mengandung karbon seperti glukosa atau pentosa untuk proses meta bolismenya. Persamaan reaksi pada pembentukan etanol pada gula C6 atau C5 menghasilkan yield teoretis maksimum 0,51 kg etanol/kg C6 atau 0,49 kg etanol/kg C5 (Krishnan, Ho, & Tsao, 1999). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.

Saccharomyces cerevisiae C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 (7) Glukosa Etanol Karbon dioksida 1 kg 0,51 kg 0,49 kg

Mikroorganisme fermentasi

3C5H10O5 → 5C2H5OH + 5CO2 (8) Pentosa Etanol Karbon dioksida 1 kg 0,49 kg 0,51 kg

Pada kondisi aerobik pemecahan gula membutuhkan oksigen melalui berbagai lintasan proses. Pada respirasi oksidasi sempurna dari glukosa menghasilkan CO2 dan air, sedangkan oksidasi tidak sempurna diikuti oleh akumulasi asam dan produk antara (interme-diet) lainnya.

Dalam proses fermentasi, beberapa jenis mikrob yang banyak digunakan dalam proses fermentasi di antaranya adalah khamir (ragi), kapang dan bakteri. Namun, tidak semua mikrob tersebut dapat digunakan secara langsung. Beberapa masih membutuh-kan seleksi untuk menjamin berlangsungnya proses fermentasi. Pemilihan mikroorganisme biasanya didasarkan pada jenis substrat (bahan) yang digunakan sebagai media. Mikroorganisme yang


dipilih adalah yang mampu tumbuh dengan cepat dan mempunyai toleransi tinggi terhadap konsentrasi gula yang tinggi sehingga dapat menghasilkan kadar bioetanol yang dikehendaki. Mikrob spesifik yang sering digunakan pada fermentasi etanol adalah Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis, Schizoccharomyces sp. dan Kluyveromices sp.

Ragi S. cerevisiae memiliki daya konversi gula menjadi etanol dengan konsentrasi tinggi. Mikrob ini juga dikenal dengan istilah baker’s yeast. S. cerevisiae bersifat anaerobik fakultatif, yaitu dapat hidup dalam keadaan aerobik maupun dalam keadaan anaerobik, tumbuh dengan baik pada suhu 30°C, pH 4–5. S. cereviseae meng-hasilkan enzim zimase dan invertase. Enzim zimase berfungsi sebagai pemecah sukrosa menjadi monosakarida (glukosa dan fruktosa), sedangkan enzim invertase merupakan enzim yang mengubah glukosa menjadi etanol atau alkohol (Judoamidjojo, Darwia, & Said, 1992). S. cerevisiae dapat memfermentasi glukosa, manosa, fruktosa, dan galaktosa dalam kondisi anaerobik dan pH yang rendah (Maris dkk., 2006). Ragi jenis ini lebih resistan terhadap produk yang dihasilkan dari hidrolisis selulosa daripada mikro organisme lainnya yang dapat memproduksi etanol dari bahan lignoselulosa (Olsson & Hahn-Hagerdal, 1993).

Lin dan Tanaka (2006) melaporkan fermentasi gula mengguna-kan S. cerevisiae dapat menghasilkan etanol sampai konsentrasi 18%. Beberapa ragi yang dapat tumbuh pada gula sederhana seperti glukosa dan disakarida (sukrosa) dapat dilihat pada Tabel 5.3.

Fermentasi bioetanol dari gula-gula hemiselulosa cenderung lambat dan menghasilkan perolehan produk yang lebih rendah dari-pada gula selulosa. Oleh karena itu, beberapa studi telah dilakukan yang bertujuan untuk mendapatkan proses produksi bioetanol yang lebih efisien. Status penelitian termutakhir biokonversi hemi selulosa menjadi etanol pada saat ini pada dasarnya terbagi menjadi dua


Tabel 5.3 Beberapa Jenis Ragi, Kondisi Fermentasi dan Etanol yang Dihasilkan

SpesiesTempe

ratur (oC)

pHKonsentrasi& Sumber

Karbon (g/l)

Konsentrasi & Sumber

Nitrogen (g/l)

Inkubasi (jam)

Konsen trasiEtanol (g/l)

27817- Saccharomyces cerevisiae

30 5,5 glukosa(50–200)

pepton (2) dan ammonium

sulfat (4)

18–94 5,1–91,8

L-041- S. cerevisiae

30 atau 35

- sukrosa (100) urea (1) atau ammonium sulfat (1-2)

24 25–50

181-S. cerevisiae (aerobik)

27 6 glukosa (10) pepton (5) 40–160 -

UO-1- S. cerevisiae (aerobik)

30 5 sukrosa (20) ammonium sulfat (1)

60–96 -

V5-S. cerevisiae 24 - glukosa (250) - 36 -

ATCC 24860- S. cerevisiae

30 4,5 Molase (1,6–5)

ammonium sulfat

(0,72–2)

24 5–18,4

Bakers’ yeast- S. cerevisiae

30 4,5 gula (50–300)

- 192 53

Bakers’ yeast- S. cerevisiae

28 5 Sukrosa (220) pepton (5) dan ammonium dihidrogen fosfat (1,5)

96 96,71

Fiso-S. cerevisiae 30 5 Galaktosa(20–150)

pepton, ammonium sulfat, dan

asam amino (10)

60 4,8–40

A3-S. cerevisiae 30 5 Galaktosa (20–150)


asam amino (10)

60 4,8–36,8

L.52-S.cerevisiae 30 5 Galaktosa (20–150)


asam amino (10)

60 2,4–32


SpesiesTempe

ratur (oC)

pHKonsentrasi& Sumber

Karbon (g/l)

Konsentrasi & Sumber

Nitrogen (g/l)

Inkubasi (jam)

Konsen trasiEtanol (g/l)

GCB-K5- S.cerevisiae

30 6 sukrosa (30) pepton (5) 72 27

GCA-II- S.cerevisiae

30 6 sukrosa (30) pepton (5) 72 42

KR18-S.cerevisiae 30 6 sukrosa (30) pepton (5) 72 22,5

CM1237- S.cerevisiae

30 4,5 glukosa (160) ammonium sulfat (0,5)

30 70

2.399-S.cerevisiae 30 5,5 glukosa (31.6) urea(6,4) 30 13,7

24860- S.cerevisiae

- - glukosa (150) amoniumdihidrogen

fosfat (2,25)

27 48

27774- Kluyveromyces fragilis

30 5,5 glukosa (20–120)


sulfat (4)

18–94 48,96

30017-K. fragilis 30 5,5 glukosa (20–120)


sulfat (4)

18–94 48,96

30016- Kluyveromyces marxianus

30 5,5 glukosa (100) pepton (2) dan ammonium

sulfat (4)

18–94 44,4

30091-Candida utilis

30 5,5 glukosa (100) pepton (2) dan ammonium

sulfat(4)

18–94 44,4

ATCC-32691 Pachysolentannophilus

30 5,5 glukosa (0–25) dan silosa

(0–25)


sulfat (4)

100 7,8

Sumber: Dimodifikasi dari Lin & Tanaka (2006); Sudiyani, Sembiring, dan Adilina (2014)


tren, yaitu (1) menemukan mikroorganisme fermentasi silosa alami, seperti Scheffersomyces stipitis, Candida shehatae dan Enteroramus dimorphus dan (2) memanfaatkan organisme yang sudah direkayasa secara genetik, seperti S. cerevisiae, Escherichia coli and Zymomonas mobilis (Chandel, Antunes, Tera, & Silva, 2018). Di antara berbagai jenis mikrob penfermentasi silosa, Scheffersomyces stipitis (dulunya Pichia stipitis) dianggap yang paling memiliki potensi (De Bari dkk., 2013). Tabel 5.4 memperlihatkan perbandingan beberapa substrat silosa beserta perolehan bioetanol yang dihasilkan.Tabel 5.4 Substrat Silosa dan Perolehan Bioetanol yang Dihasilkan

Substrat MikrobPerolehan (g/g)/

Produktivitas (g/l/jam)

Referensi

Bagas tebu Pachysolen tannophilus DW06

0,34/0,57 (Cheng, Cai, Zhang, & Ling, 2008)

Enceng gondok

Scheffersomyces stipitis

0,425/0,176 (Kumar, Singh, & Ghosh, 2009)

Rumput cocksfeet

Scheffersomyces stipitis

92% nilai teoritis maksimum

(Njoku, Iversen, Uellendahl, & Ahring, 2013)

Bagas tebu Scheffersomyces stipitis

0,33/0,185 (Milessi, Antunes, Chandel, & Da Silva, 2015)

Silosa Scheffersomyces stipitis

-/0,494 (Günan Yücel & Aksu, 2015)

Bagas tebu Scheffersomyces shehatae

0,31/0,12 (Antunes dkk., 2016)

Dalam praktiknya, proses fermentasi yang dipakai meliputi:

1. Hidrolisis dan Fermentasi Terpisah (Separate Hydrolysis and Fermentation, SHF)

Proses Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF) adalah proses pembuatan etanol di mana biomassa lignoselulosa yang telah me ngalami perlakuan awal dihidrolisis menjadi glukosa dan di-


lanjutkan dengan fermentasi menjadi etanol pada reaktor yang berbeda. Hal ini memudahkan pengontrolan terhadap tiap tahapan proses agar tercapai hasil yang diharapkan. Kelebihan metode ini adalah proses hidrolisis dan fermentasi dapat dilakukan pada kondisi optimum. Pada proses hidrolisis, selulase dapat bekerja optimum pada temperatur 45–50°C atau tergantung pada jenis mikroorganisme penghasil glukosa (Olsson dkk., 2006; Saha, Iten, Cotta, & Wu, 2005). Sementara itu, mikroorganisme untuk fermen-tasi bekerja optimum pada temperatur 30–37°C. Namun, proses SHF menghasilkan akumulasi glukosa dan selobiosa selama proses hidrolisis dapat menghambat kinerja selulase dan menurunkan effiensi proses (Margeot, Hahn-Hagerdal, Edlund, Slade, & Monot, 2009). Kelemahan proses tersebut mendorong pengembangan metode sakarifikasi dan fermentasi serentak (SSF).

2. Sakarifikasi dan Fermentasi Serentak (Simultaneous Saccharification and Fermentation/SSF)

Proses SSF secara umum lebih diminati untuk mengurangi biaya produksi etanol. SSF pertama kali dikenalkan oleh Takagi, Abe, Suzuki, Emert, dan Yata (1977), yaitu kombinasi hidrolisis enzimatik dan fermentasi gula menjadi etanol secara simultan dilakukan dalam satu reaktor dan waktu yang bersamaan. Dalam proses SSF polisakarida yang dihidrolisis menjadi monosakarida langsung difermentasi menjadi etanol. Etanol yang terakumulasi tidak menghambat enzim selulase sehingga SSF adalah strategi yang cocok untuk mempercepat laju konversi selulosa menjadi etanol. Sebagai perbandingan, metode SSF mampu menghasilkan etanol hingga 40% lebih banyak daripada metode SHF.

Proses SSF memiliki beberapa keunggulan dibandingkan proses hidrolisis dan fermentasi bertahap sebagai berikut.


1) proses yang dihasilkan ramah lingkungan, 2) dapat meningkatkan rendemen produk, 3) dapat mengurangi kebutuhan kondisi steril karena glukosa

langsung dikonversi menjadi etanol,4) waktu proses lebih pendek, 5) biaya investasi lebih rendah karena menggunakan satu

reaktor saja, dan6) berkurangnya risiko kontaminasi sebab tingginya temperatur

proses, kehadiran etanol dalam medium reaksi, dan kondisi anaerob (Lin & Tanaka, 2006).

Di samping kelebihan-kelebihan yang ditawarkan, metode SSF memiliki beberapa kekurangan, terutama disebabkan berbedanya temperatur optimal untuk hidrolisis (45–50°C) dan fermentasi (28–35°C). Selain itu, etanol menghambat kerja mikroorganisme fermentasi pada konsentrasi tertentu. Secara keseluruhan, beberapa parameter proses harus dioptimalkan, yaitu konsentrasi substrat, rasio enzim terhadap substrat, dosis komponen aktif dalam cam-puran enzim, dan konsentrasi yeast (Lin & Tanaka, 2006).

Upaya penelitian, pengembangan, dan demonstrasi produksi bioetanol dari lignoselulosa kebanyakan dilakukan oleh negara maju. Kemajuan yang paling pesat ditunjukkan oleh Amerika Serikat karena dukungan yang amat besar dari pemerintahnya. Di ban dingkan rute produksi gula menjadi bioetanol, konversi lignoselulosa menjadi bioetanol masih memerlukan banyak temuan teknologi penting agar bisa kompetitif secara ekonomi sehingga bisa layak untuk masuk sektor komersial (Gnansounou & Dauriat, 2010). Tabel 5.5 menampilkan ringkasan beberapa penelitian ter kait metode perlakuan awal dan sakarifikasi, dan Tabel 5.6 menunjuk-kan beberapa penelitian tentang metode sakarifikasi dan fermentasi pada biomassa lignoselulosa.


3. Sakarifikasi dan Ko-fermentasi Serentak (Simultaneous Saccharification and Cofermentation, SSCF)

Sakarifikasi dan ko-fermentasi serentak (SSCF) adalah proses hi-drolisis selulosa dan hemiselulosa menjadi monomer gula (glukosa dan silosa) yang dilakukan serentak dengan fermentasi monomer

Tabel 5.5 Jenis Perlakuan Awal, Metode Sakarifikasi, dan Gula yang Dihasilkan dari Berbagai Jenis Bahan Baku

Bahan Baku Perlakuan awal Enzim Kondisi

HidrolisisRendemen

GulaJerami gandum

0,75% (v/v) H2SO4

Selulase, β-glukosidase, silanase, esterase

45oC; pH 5;72 jam

56,5%

Jerami gandum

2,15% (v/v) H2O2

Selulase, β-glukosidase, silanase

45oC; pH 5; 120 jam

67,2%

Jerami gandum

H2SO4 encer Selulase, silanase, rekombinan feruloyl esterase

50oC; pH 4,8; 24 jam

51,4%

5% (w/w) Selulosa

1-n-butyl-3-methylimida zolium chloride

Selulase 50oC; pH 4,8; 12 jam

72%

Yellow poplar (Liriodendron tulipifera)

Etanol organosolv proses pulping

Selulase 50oC; pH 5;24 jam

Glukosa 92%

Pohon cemara (Spruce)

Uap Selulase, β-glukosidase, polietilen glikol

50oC; 48 jam

Glukosa 82%

Daun dan batang jagung

Uap dan 3% (w/w) SO2

Selulase, β-glukosidase, silanase,

45oC; 72 jam

Glukosa 96%

silosa 86%Pohon zaitun 1% H2SO4,190

oCSelulase, β-glukosidase

50oC; pH 4,8; 72 jam

36,3%

Switch grass 0,1 g/g alkali, 190 oC

Selulase, β-glukosidase

50oC; pH 4,8

58,7%

Sumber: Kumar, Barrett, Delwiche, dan Stroeve (2009)


Tabel 5.6 Metode Hidrolisis, Kondisi Fermentasi, dan Bioetanol yang Dihasilkan dari Berbagai Jenis Bahan Baku

Bahan Baku Metode Hidrolisis Mikro

organismaKondisi

Fermentasi

Rendemen Etanol (g/g

Bahan)

Jerami gandum

Perlakuan awal dengan asam, Hidrolisis enzim (Selulase,β-glukosidase, silanase, esterase)

E. Coli FBR5 Rekombinan

35oC; pH 6,5; 39 jam

0,24

Jerami gandum

Perlakuan awal dengan alkali H2O2, Hidrolisis enzim (Selulase, β-glukosidase, silanase)

E. Coli FBR5 Rekombinan

37oC; pH 6,5; 48 jam37oC; pH 6,0; 48 jam;SSF

0,29

0,23

Sekam padi

Perlakuan awal dengan alkali dan H2O2, Hidrolisis enzim (Selulase, β-glukosidase, silanase)

E. Coli FBR5Rekombinan

35oC; pH 6,5; 48 jam35oC; pH 6,0; 48 jam; SSF

0,21

0,20

Pohon zaitun

0,75 N H2SO4 P. tannophilus ATTCC32691

30oC, pH 3,5

0,1

Bagas tebu

1,25% (w/w) H2SO4 P. tannophilus DW06

30oC, pH 5,5; 30 jam

0,1

Pinus lodgepole

SO2-katalis uap, selulase, β-glukosidase

S. cerevisiae T1 37oC; pH 5,0; 30 jam; SSF

0,24

Daun dan batang jagung

SO2-katalis uap, selulase, β-glukosidase

Ragi roti 30oC; pH 5,5; 144 jam; SSF

0,29

Selulosa - Clostridium thermocellum

60oC; pH 7,0

0,3

Jerami biji barley

Perlakuan awal dengan NaOH, hidrolisis enzim (2% v/v selulase)

Kluyveromyces marxianus IMB3

45oC 0,2

Sumber: Kumar dkk. (2009)


gula tersebut menjadi bioetanol. Dibandingkan sakarifikasi dan fermentasi terpisah (SHF) serta sakarifikasi dan fermentasi serentak (SSF), keunggulan SSCF adalah waktu proses yang lebih singkat, pembuangan produk akhir yang menghambat kerja enzim secara berkelanjutan, risiko kontaminasi yang lebih rendah, produktivitas dan perolehan etanol yang lebih tinggi (Liu & Chen, 2016).

S. cerevisiae yang merupakan mikrob paling umum digunakan untuk produksi etanol hanya dapat mengonversi glukosa menjadi etanol, tetapi tidak bisa memetabolisasi silosa. Sulitnya mikrob yang dapat mengonversi glukosa dan silosa dalam waktu yang bersama an menjadi halangan teknis dilakukannya metode sakarafikasi dan ko-fermentasi serentak ini (Chen, 2011). Ada dua pendekatan yang dapat dilakukan untuk mengatasi masalah tersebut, yaitu dengan memodifikasi secara genetik mikrob dan konsorsium mikrob. Bebe-rapa mikroorganisme yang telah dimodifikasi secara genetik untuk memfermentasi glukosa dan silosa dengan perolehan tinggi adalah rekombinan Escherichia coli, Klebsiella oxytoca, Zymomonas mobilis dan Saccharomyces cerevisiae. Walaupun penggunaan re kombinan sel lebih menguntungkan, sel ini tidak stabil karena adanya beban metabolisme yang dapat menyebabkan stres pada sel yang nantinya memengaruhi kinerja sel tersebut (Martínez, Meza, Petranovic, & Nielsen, 2016).

Kesulitan utama penggunaan dua mikroorganisme (konsor-sium mikrob) untuk kofermentasi adalah menyediakan kondisi lingkungan yang sesuai untuk kedua mikroorganisme tersebut. Agar terjadi kestabilan ko-kultur di antara mikroorganisme, ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi, yaitu dua strain harus-lah kompatibel dan bisa tumbuh bersama-sama (Laplace, Delgenes, Moletta, & Navarro, 1992). Persyaratan lainnya adalah kondisi fer-mentasi, seperti pH, temperatur, suplai oksigen, yang harus sesuai dengan kedua mikroorganisme untuk tumbuh dan berkembang.


Misalnya, Zimomonas mobilis memfermentasi glukosa pada pH 7 dan temperatur 37°C, tetapi kondisi ini tidak sesuai dengan yeast fermentasi silosa (S. stipitis dan Candida shehatae), yang membu-tuhkan pH 5 dan temperatur 300C. Sebaliknya, pH dan temperatur di mana S. cerevisiae memfermentasi glukosa menjadi etanol sesuai dengan kondisi yang dibutuhkan oleh yeast untuk fermentasi silosa, yaitu Scheffersomyces stipitis (Chen, 2011).

Terdapat tiga metode fermentasi campuran gula (glukosa dan silosa) dengan menggunakan konsorsium mikrob, yaitu 1) kultur dua-tahap (two-stage culture), 2) kultur berkelanjutan (sequential culture), 3) ko-kultur (co culture) (Taniguchi, Tohma, Itaya, & Fujii, 1997). Beberapa penelitian dengan metode sakarifikasi dan ko-fermentasi serentak dapat dilihat pada Tabel 5.7.

C. Konsolidasi Bioproses (Consolidated Bioprocessing, CBP)Skema proses konversi biomassa menjadi bioetanol melibatkan empat proses biologis, yaitu produksi enzim sacharolytic (selulase dan hemiselulase); hidrolisis polimer gula menjadi gula mono-mernya; fermentasi glukosa (C6); dan fermentasi silosa (C5). Ketika

Tabel 5.7 Beberapa Penelitian yang Dilakukan Menggunakan Metode Sakarifikasi dan Ko-Fermentasi Serentak

Substrat Kondisi Proses Konsen trasi etanol Referensi

Brangkas jagung

Hidrolisis enzimatis diikuti dengan fermentasi menggunakan S. cerevisiae IPE003

60.8 g/L (Liu & Chen, 2016)

Jerami gandum

Hidrolisis enzimatis diikuti dengan ko-kultur Fusarium oxysporum dan S. cerevisiae

58 g/L (Paschos, Xiros, & Christakopoulos, 2015)

Jerami padi

Hidrolisis enzimatis diikuti dengan ko-kultur S. cerevisiae dan Scheffersomyces stipitis

28,6 g/L (Suriyachai, Weerasaia, Laosiripojana, Champreda, & Unrean, 2013)


Sumber: Adaptasi dari Hasunuma dan Kondo (2012)

Gambar 5.1 Skema Proses Konsolidasi Bioproses Lignoselulosa Menjadi Etanol

Tabel 5.8 Etanol yang Dihasilkan dengan Menggunakan Metode Konsolidasi Bio -proses dari Berbagai Substrat dan Mikrob

Mikrob SubstratKonsentrasiBioetanol

(g/L)Referensi

S. cerevisiae MNII/cocoBEC3 Jerami padi 7,5 (Yamada dkk ., 2011)

Eschericia coli LY01/pRE1H-AEB

Tongkol Jagung 0,3 (Ryu & Karim, 2011)

Fusarium oxysporum F3

Jerami gandum 4,9

(Panagiotou, Topakas, Moukouli, Christakopoulos, & Olsson, 2011)

Kluyveromyces marxianus

Helianthus tuberosus L. 45,3

(Kim & Kim, 2014)components of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.

Phlebia sp. MG-60 Bagas tebu 4,5 (Khuong dkk., 2014)

ke empat proses ini dilakukan dalam satu tahap maka proses ini disebut konsolidasi bioproses (Lynd, Van Zyl, McBride, & Laser, 2005). Pada Gambar 5.1. dapat dilihat skema konsolidasi bioproses


dalam menghasilkan bioetanol. Etanol yang dihasilkan dengan menggunakan metode konsolidasi bioproses dari berbagai substrat dan mikrob ditunjukkan pada Tabel 5.8.

D. Hasil penelitian SHF dan SSF Bioetanol G2 dari Limbah Industri Sawit

Banyaknya penelitian bioetanol dari biomassa lignoselulosa di seluruh dunia mendorong lembaga-lembaga penelitian di berbagai negara untuk melakukan penelitian bioetanol menggunakan bahan lignoselulosa lokal. Pusat Penelitian Kimia, Lembaga Ilmu Peng-etahuan Indonesia telah melakukan penelitian terkait bioetanol G2 menggunakan bahan baku limbah lignoselulosa skala laboratorium sampai dengan skala pilot. Bagian ini menguraikan hasil penelitian bioetanol G2 yang dilakukan di Pusat Penelitian Kimia LIPI meng-gunakan bahan baku limbah padat industri sawit berupa tandan kosong sawit (TKS) dan pelepah sawit dengan metode SHF dan SSF.

Biomassa lignoselulosa tandan kosong kelapa sawit (TKS) meru pakan limbah dari industri crude palm oil (CPO). Indonesia memiliki potensi besar untuk memanfaatkan limbah sawit tersebut sebagai sumber energi terbarukan. Saat ini Indonesia merupakan produsen kelapa sawit terbesar di dunia, di mana produksi dan luas arealnya telah melampaui Malaysia. Secara umum, industri kelapa sawit menghasilkan 1,5 ton tandan kosong untuk setiap ton crude palm oil (CPO) yang dihasilkan. Komponen utama TKS merupakan senyawa lignoselulosa yang mengandung selulosa (37–47%), hemi selulosa (15–30%), dan lignin (10–20%) serta terdapat zat ekstraktif dan abu (Styarini, Risanto, Aristiawan, & Sudiyani, 2012). Kandungan selulosa yang cukup tinggi ini merupakan potensi menjadi gula sederhana yang kemudian dapat difermentasi menjadi bioetanol.


Perlakuan awal fisika dilakukan untuk memperkecil ukuran limbah dan sekaligus mengurangi kristalinitas selulosa. Tandan kosong sawit (TKS) dibelah menjadi beberapa bagian kemudian dimasukkan ke dalam mesin pengurai untuk menjadi fiber. Fiber dikeringkan pada temperatur 50°C, kemudian digiling dengan alat hammer mill menjadi ukuran 30–40 mesh. Sebelum diguna-kan untuk perlakuan awal TKS disimpan dalam kantong plastik transparan (Gambar 5.2).

Proses sakarifikasi dan fermentasi skala laboratorium dilaku-kan dengan menggunakan bahan baku TKS yang telah diberi per-lakuan awal NaOH 10%. Konsentrasi substrat TKS yang digunakan adalah 20% (kadar air ± 11,1%) dan sakarifikasi menggunakan enzim Ctech2 15 FPU dan Htech2 3 FPU (Novozymes Co.LTD). Kondisi proses sakarifikasi dilakukan pada temperatur 40°C, pH 4,8, pengadukan 150 rpm pada shaking incubator selama 72 jam. Hasil proses sakarifikasi adalah glukosa 8,6% (b/b) dan silosa 2,45% (b/b). Fermentasi gula menggunakan S. cerevisiae strain MK pada temperatur 32°C. Glukosa, silosa, dan etanol dianalisis dengan menggunakan HPLC. Hasil fermentasi ditunjukkan pada Gambar 5.3.

Gambar 5.2 Tandan kosong sawit keluar dari pabrik CPO (a), Fiber TKS (b), TKS ukuran 30–40 mesh, kadar air 10% (c).

(a) (b) (c)


Sumber: Sudiyani dkk. (2013)

Gambar 5.3 Hasil proses fermentasi menggunakan substrat TKS pada konsentrasi 20% dan temperatur 32oC.

Jumlah etanol yang terbentuk setelah 72 jam adalah 6,37 % (b/b), sedangkan sisa glukosa sebesar 0,4% (b/b). Konsentrasi silosa relatif tetap selama proses fermentasi karena ragi S. cerevisiae tidak memfermentasi silosa. Perolehan (yield) etanol terhadap glukosa adalah 74,70%, sedangkan perolehan etanol terhadap gula total adalah 57,65%. Hasil ini merupakan hasil yang baik bagi proses fermentasi etanol generasi dua (Sudiyani dkk., 2013). Pada perco-baan yang dilakukan oleh dos Santos, dkk. (2013) diperoleh yield etanol tertinggi pada substrat yang terdiri atas 20 g/L glukosa dan 20 g/L silosa sebesar 40% terhadap gula total dengan menggunakan mikrob Kluyveromyces marxianus UFV-3.

Penelitian optimasi proses SHF dan SSF dilakukan Triwahyuni, Muryanto, Fitria, dan Abimanyu (2014) dengan penggunaan variasi yeast S. cerevisiae (ragi padat komersial 1% b/v proses dan ragi strain MK. cair 10% v/v proses) pada konsentrasi substrat 15% b/v TKS. Enzim yang digunakan Ctech2 dan Htech2. Proses


SHF dilakukan dengan proses sakarifikasi selama 24 dan 48 jam, kemu dian ditambahkan ragi untuk proses fermentasi selama 72 jam. Proses SSF diawali dengan 6 jam sakarifikasi menggunakan enzim cellulase 30 FPU/g bahan baku dan S.cerevisiae pada kondisi proses 32°C, pH 4,8 dan kecepatan pengadukan 150 rpm. Analisis komposisi kimia substrat menggunakan metode analisis standar dari National Renewable Energy Laboratory (NREL). Produk hasil sakarifikasi berupa glukosa dan silosa serta bioetanol dianalisis menggunakan HPLC.

Hasil proses menunjukkan bahwa yield etanol tertinggi diper-oleh pada proses SHF (24 jam sakarifikasi dan 48 jam fermentasi) dengan ragi komersial padat, yaitu sebesar 61,51 % (g etanol/g selulosa) atau 46,76% (g etanol/g TKS). Namun, nilai yield etanol tidak jauh berbeda dengan proses SSF yang keseluruhan waktu prosesnya sama atau lebih cepat. Proses SSF dengan 6 jam inisiasi sakarifikasi dapat menghasilkan yield etanol sebesar 60,54% (g etanol/g selulosa) atau 46,02% (g etanol/g TKS) dengan waktu keseluruhan proses hanya 54 jam. Secara ekonomi, proses SSF dengan 6 jam inisiasi sakarifikasi lebih menguntungkan karena dapat menghemat waktu proses dan akan menekan biaya produksi. Yield etanol yang dihasilkan pada berbagai kondisi proses dapat dilihat pada Tabel 5.9.

Dahnum, Tasum, Triwahyuni, Nurdin, dan Abimanyu (2015) membandingkan metode SHF dan SSF untuk melihat sisi ekonomi dari proses konversi TKS menjadi bioetanol. Kondisi proses yang dilakukan ditunjukkan pada Gambar 5.4.

Pada metode SHF, sakarifikasi dilakukan selama 72 jam dan dilanjutkan dengan fermentasi selama 72 jam. Setelah proses fer-mentasi dilakukan distilasi untuk memisahkan padatan dan cairan. Cairan yang diperoleh diukur menggunakan densitometer. Dengan menggunakan alat ini, akan diperoleh kandungan etanol dalam


Tabel 5.9 Yield Etanol pada Berbagai Kondisi Proses SHF dan SSF dengan Bahan Baku TKS

Sampel

Yield etanol

(g etOH/g selulosa)

Yield etanol

(g EtOH/g TKKS)

Keterangan

SHF (24 jam)

Ragi padat komersial 61,51 46,76 24 jam sakarifikasi dan 48 jam

fermentasi

Ragi strain MK. 56,70 43,10 24 jam sakarifikasi dan 72 jam fermentasi

SHF (48 jam)

Ragi padat komersial 56,00 42,57 48 jam sakarifikasi dan 48 jam

fermentasi

Ragi strain MK. 55,71 42,35 48 jam sakarifikasi dan 72 jam fermentasi

SSF(6 jam)

Ragi padat komersial 60,54 46,02 6 jam inisiasi sakarifikasi dan 48

jam fermentasi

Ragi strain MK. 54,37 41,33 6 jam inisiasi sakarifikasi dan 72 jam fermentasi

SSFRagi padat komersial 59,88 45,52 72 jam SSF

Ragi strain MK. 52,40 39,84 72 jam SSF

Gambar 5.4 Metode SHF (a) dan SSF (b) dalam proses konversi TKS menjadi bioetanol (Dahnum, Tasum, Triwahyuni, Nurdin, & Abimanyu, 2015)

Sumber: Triwahyuni dkk. (2014)


cairan tersebut. Yield etanol yang dihasilkan sekitar sebesar 76%. Perbandingan hasil proses SHF dan SSF dapat dilihat pada Tabel 5.10.

Dibandingkan metode SHF, metode SSF dapat menghasilkan etanol sebesar 97% selama 24 jam. Oleh karena itu, metode SSF dianggap lebih ekonomis karena waktu produksi lebih singkat dan dapat dilakukan pada temperatur 32°C.

Selain membandingkan metode SHF dan SSF, pengaruh berat substrat (substrate loading) juga menjadi salah satu parameter yang diamati pada perolehan etanol yang dihasilkan. Tingginya viskositas adalah konsekuensi dari penggunaan substrat awal yang banyak. Hal ini diperlukan untuk memperoleh konsentrasi akhir gula dan etanol dan mengurangi biaya distilasi (Sassner, Galbe, & Zacchi, 2006). Namun, penggunaan langsung substrat de ngan konsentrasi tinggi di awal proses menyebabkan terjadinya hambatan pada aktivi tas enzim dan yeast. Viskositas yang tinggi menyebabkan medium fermentasi tidak homogen. Oleh karena itu, untuk mengurangi viskositas dan meningkatkan pembentukan gula, prehidrolisis perlu

Tabel 5.10 Perbandingan Perolehan Etanol dengan Menggunakan Metode SHF dan SSF dengan Bahan Baku TKS

SHF SSF

Berat substrat (g) 15 15

Selulosa dalam substrat (g) 10,986 10,986

Glukosa terukur (g) 10,67 -

Glukosa teoritis (g) 12,21 12,21

Perolehan (yield) glukosa (%) 87 -

Etanol terukur (%) 4,74 6,05

Etanol teoritis (%) 6,22 6,22

Perolehan (yield) etanol (%) 76 (setelah fermentasi selama 72 jam)

97 (setelah fermentasi selama 24 jam)

Sumber: Dahnum dkk. (2015)


dilakukan (Rudolf, Alkasrawi, Zacchi, & Lidén, 2005; Tomás-Pejó, Oliva, González, Ballesteros, & Ballesteros, 2009). Penambahan substrat secara bertahap merupakan salah satu cara untuk men-dapatkan etanol konsentrasi tinggi karena viskositas ideal medium terjaga. Dengan yield teoretis etanol 25-30%, dari bahan baku, diperlukan bahan baku minimal 15%, untuk menghasilkan etanol broth 4–5%.

Hasil penelitian Triwahyuni dkk. (2015) menunjukkan bahwa substrate loading memberikan pengaruh yang sangat signifikan pada konsentrasi dan perolehan etanol yang dihasilkan apabila ditam-bahkan secara bertahap, bukan serentak. Perbandingan perolehan etanol dari substrate loading yang ditambahkan secara serentak dan bertahap disajikan pada Tabel 5.11.

Pelepah sawit memiliki kandungan awal selulosa 33,47% dan hemiselulosa 13,95%. Nilai selulosa pelepah sawit cukup tinggi

Tabel 5.11 Perbandingan Konsentrasi dan Perolehan Etanol Berdasarkan Variasi Substrate loading

Substrate loading

(g)

Rasio substrate loading

(% g/mL)

Enzyme loading (FPU/g substrat)

Waktu SSF

(jam)

Konsentrasi Etanol (g/L) atau (%v/v)

Perolehan Etanol

(%)

15 15 30 (Cellic Ctec2)20 (Cellic Htec2)

72 66,50 (8,43) 100,00


72 78,25 (9,92) 92,01


72 45,50 (5,77) 42,80

15 kemudian ditambahkan 5 g pada jam ke-24

20 22,5 (CellicCtec2)20 (Cellic Htec2)

72 76,45 (9,69) 89,89

15 + 10 pada jam ke-24

25 18 (Cellic Ctec2)20 (Cellic Htec2)

72 83,40 (10,57) 80,21

Sumber: Triwahyuni dkk. (2015)


sehingga berpotensi sebagai bahan baku bioetanol. Pelepah sawit ukuran 30 mesh dengan kadar air 10–11% diberi perlakuan awal kimia dengan 10% NaOH pada temperatur 150oC dan tekanan 4–7 kg/cm2 selama 30 menit. Setelah perlakuan awal diperoleh kan-dungan selulosa sebesar 72,59% dan hemiselulosa 8,04%. Optimasi proses SHF dan SSF dilakukan dengan variasi konsentrasi enzim sellulase (10, 20, 30, dan 40 FPU of Cellic Ctec2/g substrat). Proses SSF pada 32oC selama 96 jam dengan konsentrasi enzim sebesar 30 FPU/g substrat menghasilkan konsentrasi etanol tertinggi sebesar 59,2 g/L (Triwahyuni dkk., 2015).

Studi perbandingan proses SHF dan SSF pada bahan limbah sawit menguatkan penelitian-penelitian sebelumnya yang me-nyimpulkan bahwa proses SSF lebih baik daripada proses SHF. Adapun kendala yang perlu diatasi pada proses SSF, yaitu 1) temperatur hidrolisis dan fermentasi yang tidak sama, 2) toleransi mikrob terhadap etanol, dan 3) penghambatan kerja enzim oleh etanol. Foto proses sakarifikasi dan fermentasi skala laboratorium dan fermentor skala pilot dapat dilihat pada Gambar 5.5 dan Gambar 5.6.

Ket.: TKS sete lah perlakuan awal NaOH (a), Sakarifikasi pada jam ke-72 (siap ditambah ino-kulum S. cerevisiae untuk fermentasi 72 jam) (b), Etanol siap dianalisis meng gunakan densi tometer (c).

Gambar 5.5 Foto Proses Sakarifikasi dan Fermentasi Skala Laboratorium

(a) (b) (c)


E. KesimpulanProduksi bioetanol dari biomassa masih banyak mengalami ham-batan. Untuk meningkatkan efisiensi proses secara keseluruhan dan mengurangi biaya produksi, perlu dilakukan integrasi proses, misalnya melalui proses ko-fermentasi (gabungan sakarifikasi dan fermentasi) dan konsolidasi bioproses (CBP, Consolidated Bio-processing). Biomassa lignoselulosa memiliki struktur polimer yang terdiri atas selulosa dan hemiselulosa serta adanya ikatan lignin menyebabkan biomassa ini lebih sulit dikonversi menjadi etanol daripada bahan baku generasi pertama. Hal tersebut menjadi tan-tangan tersendiri dalam optimasi proses hidrolisis dan fermentasi lignoselulosa menjadi bioetanol. Berbagai metode proses hidrolisis dan fermentasi telah dikembangkan untuk mendapatkan perolehan etanol yang tinggi. Selain pengembangan metode, perlu dilakukan juga penelitian terkait penggunaan enzim dan mikrob yang memi-liki aktivitas tinggi sehingga lebih efisien. Adanya integ rasi yang baik antara metode proses, jenis enzim dan mikrob yang dapat dikonsorsiumkan, mendorong terciptanya teknologi proses hidroli-sis dan fermentasi lignoselulosa menjadi etanol yang ekonomis.

Foto: Pilot Plant Bioetanol Kimia-LIPI (2018)

Gambar 5.6 Foto fermentor hidrolisis volume 300 L (a), proses penambahan enzim ke dalam fermentor pilot plant PP Kimia-LIPI (b).

(a) (b)


Daftar PustakaAdney, B., & Baker, J. (1996). Measurement of cellulase activities. National

Renewable Energy Laboratory.Antunes, F. A. F., Santos, J. C., Chandel, A. K., Milessi, T. S. S., Peres, G.

F. D., & da Silva, S. S. (2016). Hemicellulosic ethanol production by immobilized wild brazilian yeast Scheffersomyces shehatae UFMG-HM 52.2: Effects of Cell Concentration and Stirring Rate. Current Microbiology, 72(2), 133–138. https://doi.org/10.1007/s00284-015-0923-6.

Bachruddin, Z. (2014). Teknologi Fermentasi pada industri peternakan. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press.

Baek, S.-C., & Kwon, Y.-J. (2007). Optimization of the pretreatment of rice straw hemicellulosic hydrolyzates for microbial production of xylitol. Bioetechnology and Bioprocessing, 12(4), 404–409. https://doi.org/10.1007/BF02931063.

Binod, P., Janu, K., Sindhu, R., & Pandey, A. (2011). Hydrolysis of lignocellulosic biomass for bioethanol production. Dalam S. C. Ricke & E. Gnansounou (Eds.), Biofuels: Alternative Feedsctock and conversion process (229–250). Burlington: Academic Press.

Bisswanger, H. (2014). Enzyme assays. Perspectives in Science, 1(1–6), 41–55. https://doi.org/10.1016/j.pisc.2014.02.005.

Cao, G., Ren, N., Wang, A., Lee, D. J., Guo, W., Liu, B., … Zhao, Q. (2009). Acid hydrolysis of corn stover for biohydrogen production using Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum W16. International Journal of Hydrogen Energy, 34(17), 7182–7188. https://doi.org/10.1016/ j.ijhydene.2009.07.009.

Chalal, D. S. (1983). Growth characteristic of microorganism in solid state fermentation for upgrading of protein values of lignocelluloses and cellulose production. Foundation of biochemical engineering, 20, 421–442. American Chemical Society. https://doi.org/10.1021/bk-1983-0207.ch020.

Chandel, A. K., Antunes, F. A. F., Arruda, P. V., Millesi, T. S., da Silva, S., & Felipe, M. G. A. (2012). Dilute acid hydrolysis of agro-residues for the depolymerization of hemicellulose: State-of-the-art. Dalam S. S. da Silva, S. Silverion, & A. K. Chandel (Eds.), D-Xylitol fermentative production, application and commercialization (39–61). https://doi.org/10.1007/978-3-642-31887-0_2. Berlin: Springer.


Chandel, A. K., Antures, F. A. F., Terán-Hilares, R., Cota, J., Ellillä, S. ... da Silva, S. S. (2018). Bioconversion of hemicellulose into ethanol and value-added products: Commercialization, Trends, and future opportunities. Advances in Surgane Biorefinery, 97–134. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804534-3.00005-7.

Chandel, A. K., Kapoor, R. K., Singh, A., & Kuhad, R. C. (2007). Detoxification of sugarcane bagasse hydrolysate improves ethanol production by Candida shehatae NCIM 3501. Bioresource Technology, 98(10), 1947–1950. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.07.047.

Chen, Y. (2011). Development and application of co-culture for ethanol production by co-fermentation of glucose and xylose: A systematic review. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 38(5), 581–597. https://doi.org/10.1007/s10295-010-0894-3.

Cheng, K., Cai, B., Zhang, J., & Ling, H. (2008). Sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate for ethanol production by acid recovery process. Biochemical Engineering Journal, 38, 105–109. https://doi.org/10.1016/j.bej.2007.07.012.

Dahnum, D., Tasum, S. O., Triwahyuni, E., Nurdin, M., & Abimanyu, H. (2015). Comparison of SHF and SSF processes using enzyme and dry yeast for optimization of bioethanol production from empty fruit bunch. Energy Procedia, 68(October), 107–116. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.238.

De Bari, I., De Canio, P., Cuna, D., Liuzzi, F., Capece, A., & Romano, P. (2013). Bioethanol production from mixed sugars by Scheffersomyces stipitis free and immobilized cells, and co-cultures with Saccharomyces cerevisiae. New Biotechnology, 30(6), 592–597. https://doi.org/10.1016/j.nbt.2013.02.003.

Dos Santos, V. C., Braganca, C. R. S., Passos, F. J. V., & Passos, F. M. L. (2013). Kinetics of growth and ethanol formation from a mix of glucose/xylose substrate by Kluyveromyces marxianus. Antonie van Leeuwenhoek, 103, 153–161. https://doi.org/10.1007/s10482-012-9794-z.

Duff, S. J. B., & Murray, W. D. (1996). Bioconversion of forest products industry waste cellulosic to fuel ethanol: A review. Bioresource Technology, 55, 1–33. https://doi.org/10.1016/0960-8524(95)00122-0.

Galbe, M., & Zacchi, G. (2002). A review of the production of ethanol from softwood. Applied Microbiology and Biotechnology, 59(6), 618–628. https://doi.org/10.1007/s00253-002-1058-9.


Ghose, T. (1987). Measurement of cellulase activities. Pure and Applied Chemistry, 59(2), 257–268. https://doi.org/10.1351/pac198759020257.

Gnansounou, E., & Dauriat, A. (2010). Techno-economic analysis of lignocellulosic ethanol: A review. Bioresource Technology, 101(13), 4980–4991. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.02.009.

Günan Yücel, H., & Aksu, Z. (2015). Ethanol fermentation characteristics of Pichia stipitis yeast from sugar beet pulp hydrolysate: Use of new detoxification methods. Fuel, 158, 793–799. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.06.016.

Harris, E. E. (1949). Wood sacharification. Dalam W. Pigm & M. Wolfro (Eds.), Advances in carbohydrate chemistry (153–188). Elsevier. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0096-5332(08)60048-X.

Hasunuma, T., & Kondo, A. (2012). Consolidated bioprocessing and simultaneous saccharification and fermentation of lignocellulose to ethanol with thermotolerant yeast strains. Process Biochemistry, 47(9), 1287–1294. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2012.05.004.

Judoamidjojo, M., Darwia, A., & Said, E. (1992). Teknologi Fermentasi (1st

ed.). Jakarta: Rajawali Press.Kang, Q., Appels, L., Tan, T., & Dewil, R. (2014). Bioethanol from

lignocellulosic biomass: Current findings determine research priorities. Scientific World Journal. https://doi.org/10.1155/2014/298153.

Khuong, L. D., Kondo, R., De Leon, R., Kim Anh, T., Shimizu, K., & Kamei, I. (2014). Bioethanol production from alkaline-pretreated sugarcane bagasse by consolidated bioprocessing using Phlebia sp. MG-60. International Biodeterioration and Biodegradation, 88, 62–68. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2013.12.008.

Kim, S., & Kim, C. H. (2014). Evaluation of whole Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) for consolidated bioprocessing ethanol production. Renewable Energy, 65, 83–91. https://doi.org/10.1016/j.renene.2013.07.025.

Krishnan, M., Ho, N., & Tsao, G. (1999). Fermentation kinetics of ethanol production from glucose and xylose by recombinant Saccharomyces 1400(pLNH33). Appl. Biochem. Biotechnol. 373–388.

Kumar, A., Singh, L. K., & Ghosh, S. (2009). Bioconversion of lignocellulosic fraction of water-hyacinth (Eichhornia crassipes) hemicellulose acid hydrolysate to ethanol by Pichia stipitis. Bioresource Technology, 100(13), 3293–3297. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.02.023.


Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., & Stroeve, P. (2009). Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Industrial and Engineering Chemistry Research, 48(8), 3713–3729. https://doi.org/10.1021/ie801542g.

Laplace, J., Delgenes, J., Moletta, R., & Navarro, J. (1992). Alcoholic glucose and xylose fermentations by the coculture process: Compatibility and typing of associated strains. Canadian Journal of Microbiology, 38(7), 654–658. https://doi.org/10.1139/m92-106.

Lin, Y., & Tanaka, S. (2006). Ethanol fermentation from biomass resources: current state and prospects. Applied Microbiology and Biotechnology, 69, 627–642. https://doi.org/10.1007/s00253-005-0229-x.

Liu, Z., & Chen, H. (2016). Simultaneous saccharification and co-fermentation for improving the xylose utilization of steam exploded corn stover at high solid loading. Bioresource Technology, 201, 15–26. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.11.023.

Lynd, L. R., Van Zyl, W. H., McBride, J. E., & Laser, M. (2005). Consolidated bioprocessing of cellulosic biomass: An update. Current Opinion in Biotechnology, 16(5), 577–583. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2005.08.009.

Lynd, L., Weimer, P., Van Zyl, W. H., & Pretorius, I. (2002). Microbial cellulose utilization: Fundamentals and biotechnology. Microbial. Mol. Biol. Rev., 66(3), 506–77.

Margeot, A., Hahn-Hagerdal, B., Edlund, M., Slade, R., & Monot, F. (2009). New improvements for lignocellulosic ethanol. Current Opinion in Biotechnology, 20, 372–380. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2009.05.009.

Maris, A. J. A. Van, Abbott, Æ. D. A., Bellissimi, Æ. E., Brink, J. Van Den, Kuyper, Æ. M., Luttik, Æ. M. A. H., … Pronk, J. T. (2006). Alcoholic fermentation of carbon sources in biomass hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae: Current status. Antonie van Leeuwenhoek, 90, 391–418. https://doi.org/10.1007/s10482-006-9085-7.

Martínez, J. L., Meza, E., Petranovic, D., & Nielsen, J. (2016). The impact of respiration and oxidative stress response on recombinant α -amylase production by Saccharomyces cerevisiae. Metabolic Engineering Communications, 3, 205–210. https://doi.org/10.1016/j.meteno.2016.06.003.

Milessi, T. S. S., Antunes, F. A. F., Chandel, A. K., & Da Silva, S. S. (2015). Hemicellulosic ethanol production by immobilized cells of Scheffersomyces stipitis: Effect of cell concentration and stirring.


Bioengineered Bugs, 6(1), 26–32. https://doi.org/10.4161/21655979.2014.983403.

Nigam, J. N. (2001). Ethanol production from wheat straw hemicellulose hydrolysate by Pichia stipitis. Journal of biotechnology, 87(1), 17–27.

Njoku, S. I., Iversen, J. A., Uellendahl, H., & Ahring, B. K. (2013). Production of ethanol from hemicellulose fraction of cocksfoot grass using Pichia stipitis. Sustainability Chemical Process, 13(1), 1–7. https://doi.org/10.1186/2043-7129-1-13.

Olsson, L., & Hahn-Hagerdal, B. (1993). Fermentative performance of bacteria and yeasts in lignocellulose hydrolysates. Process Biochemistry, 28, 249–257.

Olsson, L., Soerensen, H., Dam, B., Christensen, H., Krogh, K., & Meyer, A. (2006). Separate and simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation of wheat hemicellulose with recombinant xylose utilizing Saccharomyces cerevisiae. Applied Biochemistry and Biotechnology, 129, 117–118. https://doi.org/10.1385/ABAB:129:1:117.

Panagiotou, G., Topakas, E., Moukouli, M., Christakopoulos, P., & Olsson, L. (2011). Studying the ability of Fusarium oxysporum and recombinant Saccharomyces cerevisiae to efficiently cooperate in decomposition and ethanolic fermentation of wheat straw. Biomass and Bioenergy, 35(8), 3727–3732. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.05.005.

Paschos, T., Xiros, C., & Christakopoulos, P. (2015). Simultaneous saccharification and fermentation by co-cultures of Fusarium oxysporum and Saccharomyces cerevisiae enhances ethanol production from liquefied wheat straw at high solid content. Industrial Crops & Products, 76, 793–802. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.07.061.

Philippidis, G. (1996). Cellulose bioconversion technology. Dalam C. Wyman (Ed.), Handbook on bioethanol: Production and utilization (253–285). Washington, D.C: Taylor Francis.

Polizeli, M. L. T., Rizzati, A. C., Monti, R., Terenzi, H., Jorge, J., & AMorim, D. (2005). Xylanases from fungi: Properties and industrial applications. Applied Microbiology and Biotechnology, 67, 577–591. https://doi.org/10.1007/s00253-005-1904-7.

Rahman, S. H. A., Choudhury, J. P., Ahmad, A. L., & Kamaruddin, A. H. (2007). Optimization studies on acid hydrolysis of oil palm empty fruit bunch fiber for production of xylose. Bioresource Technology, 98(3), 554–559. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.02.016.

Rudolf, A., Alkasrawi, M., Zacchi, G., & Lidén, G. (2005). A comparison between batch and fed-batch simultaneous saccharification and fer mentation of steam pretreated spruce. Enzyme and Microbial


Technology, 37(2), 195–204. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2005. 02.013.

Ryu, S., & Karim, M. N. (2011). A whole cell biocatalyst for cellulosic ethanol production from dilute acid-pretreated corn stover hydro-lyzates. Applied Microbiology and Biotechnology, 91, 529–542. https://doi.org/10.1007/s00253-011-3261-z.

Saha, B. C., Iten, L. B., Cotta, M. A., & Wu, Y. V. (2005). Dilute acid pretreatment, enzymatic saccharification, and fermentation of rice hulls to ethanol. Biotechnology Prog., 21(3), 816–822. https://doi.org/10.1021/bp049564n.

Sassner, P., Galbe, M., & Zacchi, G. (2006). Bioethanol production based on simultaneous saccharification and fermentation of steam pretreated salix at high dry-matter content. Enzyme and Microbial Technology, 39(4), 756–762. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2005.12.010.

Sepuvelda-Huerta, E., Tellez-Vuiz, S. J., Bocanegra-Garcia, V., Ramirez, J. A., & Vasquez, M. (2006). Production of detoxified sorghum straw hydrolysates for fermentative purposes. Journal of the Science and Food and Agriculture, 86(15), 2579–2586. https://doi.org/10.1002/jsfa.2651.

Shoham, Y., & Shallom, D. (2003). Microbial hemicellulases. Ecology and Industrial Microbilogy, 6, 219–228. https://doi.org/10.1016/S1369-5274(03)00056-0.

Styarini, D., Risanto, L., Aristiawan, Y., & Sudiyani, Y. (2012). Comparison of two analytical methods for compositional analysis of lignocellulosic biomass for bioethanol production, International Journal of Environ-ment and Bioenergy, 3(2), 88–97.

Sudiyani, Y., Muryanto, M., Barlianti, V., Triwahyuni, E., Aristiawan, Y., Risanto, L., & Hermiati, E. (2013). Pemanfaatan limbah biomassa industri kelapa sawit untuk produksi bioetanol generasi 2 dan co-products. Dalam Seminar Insentif Riset SINas (INSINAS 2013) (21–29).

Sudiyani, Y., Sembiring, K., & Adilina, I. B. (2014). Bioethanol G2: production process and recent studies. Dalam Biomass and Bioenergy. https://doi.org/10.1007/978-3-319-07641-6_20.

Sun, Y., & Cheng, J. (2002). Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: A review. Bioresource Technology, 83(1), 1–11. https://doi.org/10.1016/S0960-8524(01)00212-7.

Suriyachai, N., Weerasaia, K., Laosiripojana, N., Champreda, V., & Unrean, P. (2013). Optimized simultaneous saccharification and co-fermentation of rice straw for ethanol production by Saccharomyces


cerevisiae and Scheffersomyces stipitis co-culture using design of experiments. Bioresource Technology, 142, 171–178. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.05.003.

Taherzadeh, M. J., & Karimi, K. (2007). Acid-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: A review. Bioresources Technology, 2(3), 472–499. https://doi.org/10.15376/biores.2.4.707-738.

Taherzadeh, M. J., & Karimi, K. (2008). Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: A review. International Journal of Molecular Sciences, 9(9), 1621–1651. https://doi.org/10.3390/ijms9091621.

Takagi, M., Abe, S., Suzuki, S., Emert, G., & Yata, N. (1977). A method for production of alcohol directly from cellulose using cellulase and yeast. Dalam Proceedings of bioconversion of cellulosic substances into energy, chemicals and microbial protein (551–571). New Delhi: India Institute of Technology.

Taniguchi, M., Tohma, T., Itaya, T., & Fujii, M. (1997). Ethanol production from a mixture of glucose and xylose by co-culture of Pichia stipitis and a respiratory-deficient mutant of Saccharormyces cerevisiae. Journal of Fermentation and Bioengineering, 83(4), 364–370. https://doi.org/10.1016/S0922-338X(97)80143-2.

Tomás-Pejó, E., Oliva, J. M., González, A., Ballesteros, I., & Ballesteros, M. (2009). Bioethanol production from wheat straw by the thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus CECT 10875 in a simultaneous saccharification and fermentation fed-batch process. Fuel, 88(11), 2142–2147. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2009.01.014.

Triwahyuni, E., Muryanto, M., Fitria, I., & Abimanyu, H. (2014). Peman-faatan limbah tandan kosong kelapa sawit untuk produksi bioetanol dengan optimasi proses sakarifikasi dan fermentasi. Jurnal Energi dan Lingkungan, 10(1), 27–32.

Triwahyuni, E., Muryato, M., Sudiyani, Y., & Abimanyu, H. (2015). The effect of substrate loading on simultaneous saccharification and fermentation process for bioethanol production from oil palm empty fruit bunches. Energy Procedia, 68, 138–146. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.242.

Verardi, A., Bari, I. De, Ricca, E., & Calabro, V. (2012). Hydrolysis of lignocellulosic biomass: Current status of processes and technologies and future perspectives. Dalam M. A. P. Lima (Ed.), Bioethanol (p. 290). https://doi.org/10.5772/23987.


Wyman, C. E. (1999). Biomass ethanol: Technical progress, opportunities, and commercial challenges. Annual Review of Energy and the Environment, 24(1), 189–226. https://doi.org/10.1146/annurev.energy. 24.1.189.

Wyman, C. E., Decker, S. R., Himmel, M. E., Brady, J. W., & Skopec, C. E. (2005). Hydrolysis of cellulose and hemicellulose. Dalam Polysaccharides: Structural diversity and functional versatility (994–1033). https://doi.org/10.1201/9781420030822.ch43.

Yamada, R., Taniguchi, N., Tanaka, T., Ogino, C., Fukuda, H., & Kondo, A. (2011). Direct ethanol production from cellulosic materials using a diploid strain of Saccharomyces cerevisiae with optimized cellulase expression. Biotechnology for Bio, 4, 1–8. https://doi.org/10.1186/1754-6834-4-8.

157

A. Konversi Gas Sintesis menjadi EtanolPenggunaan biomassa lignoselulosa sebagai bahan baku bioetanol telah banyak dikembangkan. Konversi biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol banyak dilakukan melalui alur proses biokimia (enzymatic hydrolysis fermentation process, EHF) seperti yang sudah dibahas pada Bab 4 dan 5. Selain itu, bioetanol juga dapat dihasilkan melalui alur proses proses termokimia (gasification-mixed alcohol catalytic conversion process, GMA) dan proses termokimia/biokimia (gasification-syngas fermentation process, GF) (Griffin & Schultz, 2012). Secara skematis, proses konversi biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol melalui proses termokimia dan termokimia/biokimia diperlihatkan pada Gambar 6.1.

Pembuatan etanol secara langsung dari gas sintesis (campuran gas CO dan H2) dengan bantuan katalis logam, pada Gambar 6.1. disebut tahap termokimia, telah menjadi perhatian para peneliti sejak 90 tahun yang lalu (Yue, Ma, & Gong, 2014). Reaksi untuk menghasilkan etanol dari gas sintesis secara termokimia ber-

6PROSES GASIFIKASI -

FERMENTASI GAS Sintesis UNTUK PRODUKSI BIOETANOL

Dieni Mansur, Sabar Pangihutan Simanungkalit, dan Syahrul Aiman


langsung pada tekanan tinggi sekitar 200 bar dan temperatur di atas 300°C. Selain etanol, dihasilkan juga alkohol lainnya, seperti propanol, butanol, dan metanol. Reaksi ini berlangsung secara eksotermis (Griffin & Schultz, 2012).

Pembuatan etanol melalui tahap termokimia ini bisa meman-faatkan semua komponen yang terdapat dalam biomassa, termasuk lignin yang tidak bisa dimanfaatkan jika menggunakan proses biokimia. Namun, tantangan terbesar adalah penyediaan katalis yang efektif dengan harga yang sesuai (Gao, Atiyeh, Phillips, Wilkins, & Huhnke, 2013). Berbagai macam katalis telah dicoba para peneliti untuk mengubah gas sintesis hasil gasifikasi menjadi etanol. Katalis tersebut dapat dikelompokkan menjadi katalis

Sumber: Modifikasi dari Zheng, Pan, dan Zhang (2009); Cardona dan Sanchez (2007); Griffin dan Schultz (2012)

Gambar 6.1 Skema Proses Konversi Biomassa Lignoselulosa Menjadi Bioetanol

sintesis sintesis

sintesissintesis

Proses Gasifikasi - Fermentasi ... 159

Tabel 6.1 Kelompok Katalis untuk Reaksi Gas Sintesis Menjadi Etanol

Kelompok Logam Promotor Contoh Katalis Contoh Hasil Acuan

Basis Rh Fe, La, V, Zr, Ce, atau Mn

Rh-La-V/SiO2 Selektivitas etanol naik dari 16,7 % ke 39 % dibandingkan unpromoted Rh/SiO2

(Nina, 2017)

Rh-Mn/SiO2 Konversi gas sintesis 42 %, tetapi selektivitas rendah (< 9 %)

(Nina, 2017)

Rh-Ce-Zr/SiO2 Selektivitas: 35 %.Konversi gas sintesis: 27 %

(Nina, 2017)

Rh-CeO2/TiO2 Selektivitas: 33 %, Konversi gas sintesis: 32 %.

(Nina, 2017)

Rh/MCM-41Rh/SiO2 (sebagai pembanding)

Selektivitas: 24 %Selektivitas: 8 %

(Lopez dkk., 2015)

Basis Cu Fe, Co, Ni, La, Mn atau Pd

Cu-Pd-Fe-Co Konversi gas sintesis menjadi campuran alkohol: 84 %.Selektivitas alkohol: 37 %. Campuran alkohol terdiri atas: 26% metanol, 38 % etanol, 27 % propanol and 9 % butanol

(Nina, 2017)

berbahan dasar Rh (Rh-based), Cu, Co, Mo, Zn, atau Fe (Tabel 6.1). Katalis Rh dianggap sebagai katalis paling selektif untuk menghasilkan etanol dari gas sintesis. Kelompok katalis lainnya mempunyai selektivitas yang rendah, tetapi aktivitasnya (konversi gas sintesis menjadi etanol per volume katalis) lebih tinggi (Nina, 2017); (He & Zhang, 2008).


Kelompok Logam Promotor Contoh Katalis Contoh Hasil Acuan

Cu-Co/TiO2 Selektivitas terhadap etanol: 98,3 %

(Zuo, Peng, & Huang, 2016)

Basis Cu-Zn (He & Zhang, 2008)

Basis logam transisi-sulfida (Mo-S2)

Alkali promoter

Katalis toleran terhadap sulfur

Basis Co-Mo-S Alkali promoter

Basis Ni-Mo-S Alkali promoter

Basis Fe Fe-Cu-Mn/ZrO2

(He & Zhang, 2008)

Keterangan: MCM-41= Mobil Composition of Matter No. 41 (Nina, 2017)Sumber: Diolah dari Nina (2017); Lopez dkk. (2015); He dan Zhang (2008); Zuo dkk. (2016)

Bioetanol dari gas sintesis yang dihasilkan dari gasifikasi biomassa telah lama diteliti di berbagai negara. Namun, perkem-bangan sarana produksi, baik skala industri maupun skala demo plant, tidak secepat perkembangan industri bioetanol generasi dua melalui proses hidrolisis-fermentasi. Tabel 6.2 memperlihatkan perkembangan sarana penelitian dan produksi pembuatan etanol melalui proses gasifikasi biomassa menjadi gas sintesis.

Tabel 6.2 Perkembangan Fasilitas Penelitian dan Produksi Etanol dari Biomassa Lignoselulosa melalui Proses Gasifikasi

Perusahaan SaranaKapasitas Produksi

Etanol

Bahan Baku dan Proses Keterangan

Enerkem Alberta Biofuels LP

Pilot Plant (sampai dengan 2008)

Bahan baku: sampah organik kota. Proses gasifikasi dan konversi gas sintesis dengan katalis

Lokasi: Sherbrooke, Kanada

Demo Plant (2009–2013)

Proses gasifikasi dan konversi gas sintesis dengan katalis

Lokasi: Westbury Kanada


Perusahaan SaranaKapasitas Produksi

Etanol

Bahan Baku dan Proses Keterangan

Comercial Plant (2014)

151 juta L etanol/ tahun

Proses gasifikasi dan konversi gas sintesis dengan katalis

Lokasi: Edmonton, Kanada

Vanerco & Greenfield

Pilot Plant (konstruksi 2016)

30 ribu ton/tahun

Proses gasifikasi Varenes, Quebec, Kanada

Tembec Chemical

Demo plant 13 ribu ton/tahun

Biomassa lignoselulosa bentuk limbah. Proses gasifikasi

Temiscaming, Quebec, Kanada

Coskata Pilot plant Hybrid process: Gasifikasi dan biokimia

Warrenville, Illinois, AS

Demonstration plant

120 ton etanol/ tahun

Madison,Pennsylvania, AS

Ineos Pilot plant (sejak 2008)

Hybrid process: gasifikasi dan biokimia

Florida, USA

Commercial plant (konstruksi 2013)

24.000 ton/tahun

Limbah kayu, limbah taman

Aemetis Cellulosic ethanol project in California (2018)

Lokasi: California, AS. Investasi 158 juta dollar AS

Coskata, IneosBio, and LanzaTech

Skala komersial >30 juta galon/ tahun

Gas sintesis difermentasi menggunakan bakteri Clostridia yang toleran terhadap impuritas termasuk sulfur

Dioperasikan pada steel mill gases yang selesai pada tahun 2014

Sumber: Diolah dari Nina (2017); Lane (2018); Lane (2012); Bacovsky, Ludwiczek, Ognissanto, dan Wörgetter (2013); Griffin dan Schultz (2012); Lanzatech (2014)


B. Proses Gasifikasi, Gas Sintesis, dan Proses Fermentasi Gas Sintesis menjadi Bioetanol

Selain proses termokimia yang mengubah gas sintesis dari gasifikasi biomassa lignoselulosa menjadi etanol dengan bantuan katalis logam, proses lainnya adalah proses termokimia/biokimia. Proses ter mokimia/biokimia adalah proses gasifikasi yang dilanjutkan dengan proses fermentasi (proses gasifikasi-fermentasi), seperti yang dapat dilihat pada Gambar 6.1.

Pada proses termokimia/biokimia, biomassa lignoselulosa di proses secara gasifikasi untuk menghasilkan gas sintesis (synthetic gas = syngas). Gas sintesis tersebut kemudian difermentasi untuk menghasilkan bioetanol. Oleh karena itu, proses gasifikasi-fermentasi juga disebut proses fermentasi gas sintesis. Bab ini membahas proses gasifikasi, gas sintesis, dan proses fermentasi gas sintesis untuk menghasilkan bioetanol menggunakan berbagai jenis bioreaktor.

1. Gasifikasi dan Gas SintesisGasifikasi ialah proses termokimia material karbon, seperti bio-massa menjadi bahan bakar gas atau bahan kimia. Proses gasifikasi merupakan proses pembakaran tidak sempurna pada temperatur yang tinggi antara 600–1000°C, dan menggunakan udara, oksigen, uap air, atau kombinasi sebagai sumber media oksidasi ( gasifying agent) dalam gasifier (Kumar, Jones, & Hanna, 2009). Pada gasifikasi ini, biomassa lignoselulosa sebagai bahan baku perlu dikeringkan dan digiling hingga mencapai ukuran tertentu sebelum diubah menjadi gas sintesis melalui proses gasifikasi. Cummer dan Brown (2002) menjelaskan bahwa kadar air dari biomassa lignoselulosa segar mencapai 60%, sedangkan kadar air biomassa yang cocok untuk umpan bagi proses gasifikasi berkisar 10–20%. Ukuran parti-


kel biomassa tergantung kondisi dan jenis reaktor gasifikasi yang digunakan karena memengaruhi kebutuhan energi yang diperlukan untuk proses pengeringan biomassa (Cummer & Brown, 2002). Pada proses gasifikasi, bahan baku yang sudah kering dan halus diubah menjadi gas sintesis. Selama proses gasifikasi, partikel bio-massa terpecah menjadi molekul lebih kecil, seperti gas CO, CO2, CH4, H2, gas hidrokarbon rantai pendek, tar, abu, dan sedikit bahan lainnya (Kumar dkk., 2009). Pada suhu gasifikasi yang lebih rendah atau di bawah 500 oC, dihasilkan gas sintesis (CO dan H2) yang lebih sedikit dan lebih banyak tar (Farzad, Mandegari, & Görgens, 2016). Produk utama dari gasifikasi adalah gas sintesis sebagai bahan bakar gas. Sementara itu, produk samping yang dihasilkan adalah biochar berupa residu padat.

Gas sintesis merupakan campuran dari gas karbon monoksida (CO), hidrogen (H2), metan (CH4), karbon dioksida (CO2), dan komponen hidrokarbon ringan lainnya (CnHm). Selain itu, ada juga gas nitrogen (N2) yang merupakan bagian dari udara sebagai me dia oksidasi. Komposisi gas sintesis hasil gasifikasi dipengaruhi oleh kondisi proses (parameter) gasifikasi, misalnya temperatur, equivalence ratio, dan tekanan (Sharma, 2009).

Semakin tinggi temperatur gasifikasi, komposisi gas karbon monoksida (CO) dan gas hidrogen (H2) semakin meningkat, se-men tara komposisi gas metan (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) akan menurun. Namun, tekanan memberikan pengaruh sebaliknya (Balas, Lisy, & Moskalik, t.t.). Perbandingan jumlah bahan bakar dengan udara sebagai media oksidasi dalam proses gasifikasi disebut equivalence ratio (ER). Untuk mencegah terjadinya pembakaran sempurna dalam proses gasifikasi, jumlah media oksi dasi (udara) harus dapat dikendalikan. Batas ER untuk proses gasifikasi yang ideal adalah antara 0,19– 0,43 (Zainal, Rifau, Quadir, & Seetharamu, 2002).


Dalam proses gasifikasi dihasilkan juga tar, yang mana tar tersebut menjadi salah satu masalah utama dalam proses gasifikasi biomassa (Devi, Ptasinski, & Janssen, 2003). Terbentuknya tar akan menyebabkan deaktivasi katalis dan interupsi proses beri-kut nya (Huang, Chen, Chuang, Yang, & Wey, 2012). Teknik untuk mencegah terbentuknya tar menjadi tantangan dalam per kem -bangan teknologi gasifikasi. Tar merupakan hidrokarbon yang terkondensasi pada saat proses gasifikasi berlangsung (Burg dkk., 2011). Li dan Suzuki (2009) telah mengarakterisasi tar secara kimia dan fisika, mereka menyimpulkan bahwa pengendalian dan konversi tar merupakan kunci utama untuk meningkatkan efisiensi gasifikasi biomassa (Li & Suzuki, 2009).

Pada umumnya, jenis aplikasi gas sintesis dari proses gasifikasi ditentukan berdasarkan perbandingan (rasio) gas H2 dengan gas CO. Gas sintesis hasil gasifikasi dengan media udara atau oksigen memiliki ratio H2/CO < 1 (Sales dkk., 2017). Hal ini disebabkan karena elemen H dalam proses gasifikasi berasal dari H2O (uap panas atau steam). Simanungkalit (2013) melakukan simulasi pro ses gasifikasi tandan kosong sawit (TKS) dengan media udara menggunakan gasifier tipe downdraft dan mendapatkan kon sen trasi rasio H2/CO = 0,27. Proses gasifikasi dahan anggur dalam gasifier tipe downdraft dengan media udara, diperoleh rasio H2/CO < 1 dan maksimum rasio = 0,86 (Biagini, Barontini, & Tognotti, 2014), (Bi-agini, Barontini, & Tognotti, 2015). Proses gasifikasi menggunakan serbuk kayu didapatkan rasio H2/CO yang berkisar antara 0,54–0,57 (Weiland, Hedman, Marklund, Wiinikka, & Gebart, 2013).

Untuk menaikkan persentase gas hidrogen dalam gas sintesis dapat dilakukan dengan steam sebagai media gasifikasi (Yao dkk., 2016). Selain penggunaan steam, kadar air biomassa juga memengaruhi persentase gas H2 dalam gas sintesis. Penelitian


yang dilakukan oleh Narvaez, Orio, Aznar, dan Corella (1996) meng gunakan serbuk kayu pinus dengan kadar air 10% dan 25% dapat meningkatkan komposisi gas H2 dalam gas sintesis dari 5% menjadi 9%.

2. Fermentasi Gas SintesisPada proses fermentasi gas sintesis menjadi bioetanol, sebelum gas sintesis dialirkan ke fermentor, gas dibersihkan terlebih dahulu. Gas sintesis yang dihasilkan dari gasifier masuk ke siklon untuk memisahkan partikel biomassa yang tidak terkonversi menjadi gas, yang mungkin ikut dengan aliran gas. Setelah itu, gas sintesis yang akan diproses pada tahap fermentasi dilewatkan ke alat penyerap (scrubber) untuk memisahkan pengotor lain, misalnya uap air atau tar (uap senyawa organik) yang mungkin ikut di aliran gas. Gas sintesis yang merupakan campuran dari CO, CO2, dan H2 akan diproses secara enzimatik melalui proses fermentasi untuk meng-hasilkan bioetanol (Devarapalli & Atiyeh, 2015). Fermentor untuk fermentasi gas sintesis diisi dengan media untuk pertumbuhan mikrob. Fermentor dilengkapi dengan gas inlet, pengaduk, dan baffle untuk meningkatkan kontak antara gas dan mikrob. Bioetanol yang dihasilkan pada tahap fermentasi masih berupa campuran dengan media tumbuh, mikrob, asam asetat dan produk samping lainnya, sehingga perlu dilakukan pemisahan dan pemurnian untuk mendapatkan bioetanol kualitas bahan bakar. Skema contoh proses fermentasi gas sintesis tersebut dapat dilihat pada Gambar 6.2.

Produksi bioetanol melalui proses fermentasi gas sintesis meru pakan teknologi yang menjanjikan karena semua komponen biomassa, termasuk lignin, dimanfaatkan. Selain itu, proses fer-mentasi tidak memerlukan pengolahan awal yang menggunakan bahan kimia. Pada proses fermentasi, mikrob berupa bakteri


Sumber: Dimodifikasi dari Devarapalli dan Atiyeh (2015)

Gambar 6.2 Skema Pembuatan Bioetanol dari Gas Sintesis.

asetogenik mengonversi gas sintesis (CO, H2, dan CO2) menjadi asam organik dan alkohol. Asam organik dan alkohol yang paling mudah terbentuk adalah asam asetat dan etanol. Gas sintesis sebagai substrat anorganik ditransformasi secara bertahap oleh mikrob untuk membentuk asetil-CoA, kemudian membentuk asam asetat dan etanol. Beberapa asetil-CoA dialihkan untuk membentuk massa sel mikrob. Selain itu, asetil-CoA juga menyediakan energi yang menghasilkan akumulasi asam asetat dan etanol. Reaksi kimia dasar dalam pembentukan asam asetat dan etanol dari gas sintesis dapat dilihat pada Gambar 6.3. Bakteri asetogenik juga mempunyai kemampuan mereduksi asam organik menjadi alkohol, seperti asam asetat menjadi etanol, dan inilah yang menjadi dasar dalam produksi biofuel (Phillips, Huhnke, & Atiyeh, 2017).

Pembentukan asam asetat dan etanol pada fermentasi gas sinte-sis dinyatakan secara stoikiometri dan dikaitkan dengan perubahan energi bebas Gibbs (ΔG°) seperti yang disajikan pada Tabel 6.3. Melalui ΔG°, dapat diketahui arah reaksi kimia yang spontan


Keterangan: THF = tetrahydrofolate; ACS = acetyl CoA synthase; CODH = carbon monoxide dehydrogenase; H2ase = hydrogenase; NADPH = reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate.

Sumber: Modifikasi dari Phillips dkk. (2017)

Gambar 6.3 Jalur Reaksi Wood-Ljungdahl untuk Produksi Etanol dan Asam Asetat

atau tidak. Jika ΔG° bernilai negatif, reaksi berjalan spontan ke arah produk. Sebaliknya, jika ΔG0 bernilai positif berarti reaksi berlangsung tidak spontan ke arah produk. Jika ΔG° bernilai nol, reaksi berlangsung pada kondisi setimbang (equilibrium). Pada Tabel 6.3, dapat dilihat bahwa ΔG° bernilai negatif yang menyata-kan reaksi pembentukan asam asetat dan etanol dari gas sintesis dapat berlangsung spontan berdasarkan termodinamika. Nilai ΔG° yang semakin negatif berarti reaksi tersebut lebih menguntungkan (Phillips dkk., 2017).


Tabel 6.3 Stoikiometri Reaksi Produksi Etanol dan Asam Asetat dari Gas Sintesis dan Perubahan Energi Bebas Gibbs pada 298 K dan 100 kPa

Produk Reaksi ΔG0 a (kJ/mol)

Asam asetat

4 CO + 2 H2O → CH3COOH + H+ + 2CO2 (1) -154,63 CO + H2 + H2O → CH3COOH + CO2 (2) -134,52 CO + 2 H2 → CH3COOH (3) -114,5CO + 3 H2 + CO2 → CH3COOH + H2O (4) -94,44 H2 + 2 CO2 → CH3COOH + 2 H2O (5) -74,3

Etanol

6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2 (6) -217,45 CO + H2 + 2 H2O → C2H5OH + 3 CO2 (7) -197,34 CO + 2 H2 + H2O → C2H5OH + 2 CO2 (8) -177,33 CO + 3 H2→ C2H5OH + 2 CO2 (9) -157,2 2 CO + 4 H2→ C2H5OH + H2O (10) -137,1CO + 5 H2 + CO2 → C2H5OH + 2 H2O (11) -117,16 H2 + 2 CO2 → C2H5OH + 3 H2O (12) -97,0

Asam asetatEtanol

CO + CO2 + 6 H+ + 6 e- → CH3COOH + H2O (13) -94,4

CO + CO2 + 10 H+ + 10 e- → C2H5OH + 2 H2O (14) -117,1

Sumber: Phillips dkk. (2017)

Berdasarkan beberapa percobaan, diketahui bahwa selain asam asetat, asam organik lain yang juga dihasilkan pada proses fermentasi gas sintesis adalah asam propionat, asam butirat, dan asam valerat (El-gammal, Abou-shanab, Angelidaki, & Omar, 2017), (Lagoa-costa, Abubackar, Fernández-romasanta, Kennes, & Veiga, 2017), (Sun, Atiyeh, Kumar, & Zhang, 2018), (Xu dkk., 2017).

Dalam produksi bioetanol melalui fermentasi gas sintesis, beberapa hal yang memengaruhi adalah sebagai berikut.

a. Komposisi Gas Sintesis Komposisi gas sintesis yang digunakan dalam berbagai percobaan berupa gas CO murni, gas H2 murni, campuran gas sintesis sintetik (El-gammal dkk., 2017), (Xu dkk., 2017), (Liu dkk., 2014), (Lagoa-


Tabel 6.4. Pengolahan Berbagai Gas dalam Proses Fermentasi Menggunakan Mikrob C. Autoethanogenum

TahapKomposis gas (%) Densitas sel

(g/L)

Konsentrasi bioetanol

(g/L)

Konsentrasi asam asetat

(g/L)CO CO2 H2 N2

AwalAkhir

-ND

10093,52

-1,85

-ND

-0,041

-0,014

-0,993

AwalAkhir

100ND

-95,54

-ND

-ND

-0,360

-3,380

-0,805

AwalAkhir

20ND

1526,84

51,20

6069,83

-0,165

-0,253

-3,120

Keterangan: ND= tidak terdeteksi (Not Detected). Sumber: Xu dkk. (2017)

costa dkk., 2017), atau gas sintesis hasil proses gasifikasi (Xu dkk., 2017). Pengaruh pengunaan berbagai gas terhadap aktivitas mikrob Clostridium autoethanogenum dalam menghasilkan bioetanol dapat dilihat pada Tabel 6.4 (Xu dkk., 2017). Hasil fermentasi gas CO murni selama 24 hari dapat menghasilkan etanol lebih banyak dibandingkan 100% CO2 dan gas campuran.

Pada penggunaan gas sintesis yang berasal dari gasifikasi partikel kayu pinus yang mengandung CO (36,2%), H2 (23%), CO2 (15,4%), N2 (11,3%), dan CH4, C2H4, C2H2 (< 2%), dan argon ( carrier gas) yang difermentasi dengan C. autoethanogenum, pada akhir proses terjadi peningkatan CO2, sementara CO menurun (Xu dkk., 2017). Hal ini karena pada fermentasi yang hanya melibatkan gas CO, gas CO tersebut akan berperan sebagai sumber karbon dan donor elektron. Sementara itu, fermentasi dengan CO2 sebagai sumber karbon tunggal dapat dilakukan hanya dengan menambahkan H2 yang berperan sebagai donor elektron. Selain itu, fermentasi dengan CO + H2 secara nett akan menghasilkan produk yang lebih besar dibandingkan hanya CO saja. Hal ini karena seluruh karbon akan dimanfaatkan untuk menghasilkan produk dan kebutuhan elektron akan terpenuhi dari H2. Namun, perlu diperhatikan bahwa enzim


hidrogenase yang menghasilkan elektron dari H2 akan terinhibisi oleh konsentrasi CO yang terlalu besar (Bertsch & Müller, 2015).

b. Media Tumbuh bagi MikrobMedia tumbuh yang digunakan berupa media yang diberi asam asetat maupun tanpa penambahan asam asetat (El-gammal dkk., 2017). Dengan penambahan asam asetat, yield etanol yang dihasil-kan lebih tinggi dibandingkan tanpa penambahan asam asetat. Hal ini karena bakteri asetogenik mempunyai kemampuan mengonversi asam asetat menjadi etanol.

Perbandingan penggunaan media dengan dan tanpa penam-bahan asam asetat diteliti oleh Xu dkk. (2017) menggunakan mikrob Clostridium (C. autoethanogenum dan C. ljungdahlii) dalam fermentasi CO untuk menghasilkan etanol. Pada media tanpa suple men asam asetat, C. autoethanogenum menghasilkan 3,21 g/L etanol, sedangkan C. ljungdahlii menghasilkan 2,70 g/L. Pada media yang ditambahkan 0,5 g/L asam asetat, etanol yang dihasilkan C. autoethanogenum sebesar 5,45 g/L, dan C. ljungdahlii menghasilkan 3,38 g/L. Hasil ini menunjukkan bahwa media dengan penambahan asam asetat untuk mengonversi gas CO sebagai sumber karbon pada proses fermentasi gas sintesis, akan menghasilkan bioetanol yang lebih tinggi.

Media tumbuh mikrob terdiri atas campuran bahan, seperti mineral, vitamin, dan logam. Komposisi bahan-bahan tersebut akan memengaruhi biaya produksi etanol. Oleh karena itu, pemi-lihannya perlu dipertimbangkan secara saksama. Beberapa peneliti mereduksi, mengeliminasi, dan mengganti nutrisi yang mahal agar diperoleh media dengan harga yang murah, tetapi mikrob dapat tumbuh baik, dan bioetanol yang dihasilkan tinggi. Gao, dkk. (2013) meneliti formulasi media tumbuh sebagai nutrisi mikrob Clostridium ragsdalei dan menghitung biaya yang dibutuhkan


Tabel 6.5 Komponen dan Biaya Media Standar Ekstrak Ragi (Yeast Extract = YE)

Komponen larutan stokStandar media YE (M1)mL/L $/L % Biaya

Larutan mineral 25 0,271 2,76Larutan logam (trace metal) 10 0,014 0,14Larutan vitamin 10 0,005 0,050,1% Resazurin 1 0,011 0,114,0% Cysteine-sulfida 2,5 0,040 0,412,0 N larutan KOH 10,38 0,110 1,12Nutrisi lainnya g/L $/L % BiayaEkstrak ragi (YE) 1 0,216 2,20Morpholinoethane sulfonic acid (MES) 10 9,160 93,21Total biaya media 9,827 100,00

Sumber: Gao dkk. (2013)

dalam formulasi tersebut. Tabel 6.5 dan 6.6 menunjukkan standar media ekstrak ragi dan biaya yang diperlukan untuk formulasinya.

Berdasarkan Tabel 6.5 di antara komponen media yang memi liki harga tertinggi adalah morpholinoethane sulfonic acid (MES) buffer yang mencapai 93% dari total biaya media. Dari hasil pene litian Gao dkk. (2013) diketahui bahwa penghilangan MES pada media tidak memengaruhi pertumbuhan sel mikrob dan produksi etanol. Untuk mempertahankan pH 4,5; media yang tidak menggunakan MES ditambahkan larutan 7% NaHCO3 agar

Tabel 6.6 Komponen Larutan Mineral

Komponen larutan mineral Larutan standar media M3 (g/L)

Aminiun klorida (NH4Cl) 100a

Potasium klorida (KCl) 10a

Potassium pospat monobasic (KH2PO4) 10a

Magnesium sulfat (MgSO4) 20a

Kalsium klorida (CaCl2) 4a

Sumber: Gao dkk. (2013)


aktivitas mikrob dapat dipertahankan. Penelitian ini juga menemu-kan bahwa dengan menghilangkan KCl dapat mengurangi jumlah ekstrak ragi (YE) sebesar 50%, NH4Cl sebesar 98%, KH2PO4 sebesar 88%, MgSO4 sebesar 95%, dan CaCl2 sebesar 87,5% dibandingkan komposisi media standar (Tabel 6.5). Namun, hal ini terbukti tidak memengaruhi pertumbuhan dan massa sel mikrob Clostridium ragsdalei. Melalui modifikasi komposisi media fermentasi gas sintesis ini, diperoleh hasil sebagai berikut. 1. Yield bioetanol meningkat sebesar 29% dengan penggunaan

biaya sebesar 3% dibandingkan media standar yang ada pada Tabel 6.5.

2. Yield bioetanol meningkat sebesar 36% dengan penggunaan biaya sebesar 5% dibandingkan media standar yang ada pada Tabel 6.5.

Terkait dengan kebutuhan mineral dalam pertumbuhan mikrob pada proses fermentasi ini, Sun dkk. (2018) mempelajari penga ruh penggunaan biochar pada proses fermentasi gas sintesis menggunakan mikrob Clostridium ragsdalei dengan kontrol media standar berupa ekstrak ragi. Biochar sebagai produk samping pro-ses gasifikasi biomassa dalam menghasilkan gas sintesis. Hal ini diketahui dapat meningkatkan produksi bioetanol dari proses fer-mentasi gas sintesis karena biochar mengandung mineral dan logam (Na, K, Ca, Mg, S dan P) yang dapat menyediakan nutrisi untuk bakteri asetogenik. Proses fermentasi gas sintesis dilakukan dalam 250 ml reaktor berbentuk botol dengan volume proses 50 ml, dan penga dukan 150 rpm pada temperatur 37°C selama 15 hari dengan kandungan volume gas sintesis CO:H2:CO2 (40:30:30). Penambahan biochar yang berasal dari kotoran unggas (poultry litter) ke media kultivasi dapat meningkatkan yield bioetanol dari 58,7% (kontrol) menjadi 66,6%. Hal ini karena biochar dapat mengurangi kondisi


stres akibat peningkatan kadar asam terhadap aktivitas mikrob. Pada fermentasi gas sintesis, aktivitas bakteri aseto genik akan meng hasilkan asam asetat yang akan menurunkan pH media tum buh di bawah 5. Terbentuknya asam asetat dan turunnya pH selama proses fermentasi akan mempercepat terlepasnya Ca, Mg, Fe dan Mn dari media tumbuh. Biochar berperan dalam menyediakan nutrisi tambahan berupa mineral dan logam yang terkandung di dalamnya.

Peneliti lain yang juga melakukan efisiensi biaya produksi bioetanol melalui fermentasi gas sintesis dengan memodifikasi media fermentasi adalah Liu dkk. (2014). Liu dkk. (2014) meng-gunakan corn steep liquor (CSL) sebagai pengganti ekstrak ragi (YE). Corn steep liquor adalah limbah industri penggilingan jagung basah yang berupa cairan kental yang larut air (Li dkk., 2016). Jenis mikrob yang digunakan dalam medium CSL adalah Alkalibaculum bacchi strain CP15. Menurut Liu dkk. (2014), penggunaan media CSL dapat meningkatkan yield bioetanol dua kali (dari 0,84 menjadi 2,65 g/L) dan menurunkan biaya seperempat kali (dari 0,41 menjadi 0,31 $/L) dibandingkan menggunakan media standar ekstrak ragi. Pada penggunaan media CSL, selain bioetanol, dihasilkan juga n-propanol dan n-butanol. Fermentasi pada media CSL meng-gunakan campuran mikrob Clostridium propionicum (34%) dan Alkalibaculum bacchi CP15 (56%), menghasilkan bioetanol sebesar 8 g/L, sementara n-propanol dan n-butanol masing-masing sebesar 6 g/L dan 1 g/L.

c. Jenis dan Kualitas Biokatalis (Mikrob)Biokatalis yang dimaksud adalah mikrob yang digunakan untuk proses fermentasi gas sintesis. Mikrob tersebut bisa berupa kultur murni maupun kultur campuran (El-gammal dkk., 2017), (Singla, Verma, Lal, & Sarma, 2014). Kultur murni adalah mikrob yang su-


dah diisolasi dan diidentifikasi jenis dan aktivitasnya dalam proses fermentasi gas sintesis. Sementara itu, kultur campuran merupakan inokulum mikrob anaerob yang diperoleh dari berbagai sumber, misalnya kotoran ternak (ayam dan sapi), jerami gandum, lumpur, dan lain-lain.

Penelitian yang membandingkan penggunaan jenis mikrob dilakukan oleh El-gammal dkk. (2017) dan Singla dkk. (2014). Berdasarkan penelitian El-gammal dkk. (2017), diketahui bahwa dengan menggunakan kultur murni berupa Clostridium ragsdalei P11, diperoleh konsentrasi asam organik dan etanol yang tinggi. Konsentrasi asam organik yang dihasilkan lebih tinggi 3 kali lipat daripada penggunaan kultur campuran yang diperoleh dari ko-toran ternak dan jerami gandum. Sementara itu, Singla dkk (2014) menemukan bahwa kadar asam asetat dan etanol yang paling tinggi dihasilkan oleh mikrob anaerob dari kotoran ayam dibandingkan yang berasal dari kotoran sapi dan lumpur. Perbandingan yield etanol yang dihasilkan dengan menggunakan kultur murni dan campuran melalui proses fermentasi gas sintesis dapat dilihat pada Tabel 6.7.

d. Laju Transfer Massa Gas ke Media TumbuhLaju transfer massa gas sintesis ke media tumbuh pada proses fer-mentasi gas sintesis sangat berkaitan dengan geometri reaktor, daya pengadukan, tekanan (Kim & Lee, 2016), dan cara pengumpanan gas sintesis ke dalam reaktor (Bredwell, Srivastava, & Worden, 1999). Bredwell dkk. (1999) meneliti cara meningkatkan efisiensi transfer massa gas dengan melakukan fermentasi pada berbagai jenis bioreaktor. Jenis reaktor yang digunakan untuk mempelajari laju transfer massa gas ke media tumbuh, yaitu sebagai berikut.


Tabel 6.7 Perbandingan Yield Etanol dengan Menggunakan Berbagai Jenis Strain Bakteri pada Proses Fermentasi Gas Sintesis

Spesies bakteri Topt (°C) pHopt

Yield EtOH (g/l)

Produk

Clostridium ljungdahlii 37 N.A 0,6 Asetat, EtOHClostridium authoethanogenum 37 5,8–6,0 0,32 Asetat, EtOHClostridium ljungdahlii 37 4,0–5,0 1,0 Asetat, EtOHClostridium carboxidivorans P7 37 5,8–5,9 0,56 Asetat, EtOH,

BuOHClostridium ragsdalei 37 6,0 1,89 Asetat, EtOHButyribacterium methylotropphicum

37 6,0 N.A Asetat, EtOH, BuOH

Eubacterium limosum 38–39 7,0–7,2 N.A Asetat, EtOHPeptostreptococcus productus 37 7,0 N.A Asetat, EtOHAlkalibaculum bacchi 37 5,8–7,0 1,7 Asetat, EtOHKultur campuran (kotoran ayam) 37 6,0 2,3 Asetat, EtOHKultur campuran 37 8,0 8,0 Asetat, EtOH

Keterangan:N.A = tidak tersedia (not available); Asetat = Asam asetat; EtOH = bioetanol; BuOH = Butanol

Sumber: Singla dkk. (2014)

1) Horizontal Rotating Packed Bed Biofilm (h-RPB) (Biofilm pada Paking Media Berotasi Horizontal)Reaktor jenis h-RPB dilengkapi dengan paking media yang berfungsi sebagai tempat pembentukan biofilm yang dapat meningkatkan laju transfer massa gas ke media yang memengaruhi yield bioetanol. Shen, Brown, & Wen (2017) membandingkan penggunaan reaktor jenis h-RPB dengan continous stirred tank reactor (CSTR). Kondisi operasi reaktor CSTR sebagai pembanding disamakan dengan reaktor h-RPB. Reaktor jenis h-RPB (kapasitas 3,3 L) diisi media tumbuh 1,5 L (45% dari space yang ada) dan dilengkapi dengan


regulator back-pressure dan motor agitasi. Gas sintesis masuk dari bagian bawah reaktor. Reaktor h-RPB dioperasikan dengan sistem batch selama 7 hari untuk menstabilkan biofilm di mana biofilm itu melekat pada paking media yang dipasang dalam reaktor. Se-lanjutnya, sistem kontinu dioperasikan selama 190 hari. Hasilnya dibandingkan dengan penggunaan CSTR.

Proses fermentasi gas sintesis pada kedua jenis reaktor meng-gunakan mikrob Clostridium carboxidivorans P7. Penggunaan biofilm pada proses fermentasi gas sintesis akan menghasilkan bioetanol 3,3 kali lebih tinggi dibandingkan penggunaan reaktor CSTR tanpa biofilm. Hal ini disebabkan biofilm tergolong material yang baik untuk melekatkan sel mikrob dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan struktur terbuka. Sel mikrob yang melekat pada biofilm berbentuk serabut dan saling terkait. Hasil analisis SEM (Shen dkk. 2017) menunjukkan bahwa sel mikrob lebih banyak mengumpul di bagian tengah paking.

2) Monolithic Biofilm Reactor (MBR) (Reaktor Biofilm Monolitik)Jenis reaktor lain yang dapat digunakan untuk meningkatkan laju transfer massa gas ke media tumbuh adalah biofilm monolitik (monolithic biofilm reactor = MBR) (Shen, Brown, & Wen, 2014). Pada rangkaian reaktor MBR, digunakan cordierite-based ceramic monolith cylinder. Pada reaktor ini, efisiensi transfer massa tergan-tung pada karakteristik laju mikro-channel monolitik yang didapat dari sifat fisik gas dan liquid (densitas, viskositas, tega ngan per-mukaan), geometri micro-channel (bentuk cross-section, diameter), arah aliran (co-current, counter current, up flow, down flow) serta ke ce patan gas dan cairan di dalam channel. Penggunaan reak-tor MBR lebih mampu meningkatkan koefisien transfer massa volumetrik (kLa) jika dibandingkan reaktor konvensional bubble


colomn reactor (BCR). Pada reaktor BCR, gas sintesis diumpankan ke reaktor yang berbentuk kolom dalam bentuk gelembung-gelembung. Peningkatan koefisien transfer massa volumetrik (kLa) pada reaktor jenis MBR disebabkan adanya slug flow pattern pada monolitik channel.

3) Trickle Bed Reactor (TBR) (Likuid dan Gas Kontak pada Paking Media) Pada reaktor TBR, sel mikrob diperangkap dengan bead (manik-manik kaca) yang akan membentuk biofilm untuk meningkatkan laju transfer massa gas ke media tumbuh. Devarapalli, Atiyeh, Phillips, Lewis, dan Huhnke (2016) meneliti penggunaan reaktor TBR untuk proses fermentasi gas sintesis dalam menghasilkan bioetanol. Reaktor dioperasikan secara semi kontinu dengan menggunakan mikrob Clostridium ragsdalei. Gas sintesis dialirkan dengan laju 2,3 sccm (standard cubic centimeter per minute) dan media tum buh dengan laju 200 ml/min. Proses dilangsungkan dengan aliran counter current dan co-current antara gas sintesis dan media tumbuh. Komposisi gas sintesis yang digunakan adalah 38% CO, 28,5% CO2, 28,5% H2, dan 5% N2. Pada reaktor TBR dengan proses fermentasi yang bersifat semi-kuntinu, penggantian media tumbuh sangat penting untuk menjaga aktivitas metabolisme sel mikrob dan mencegah keterbatasan nutrisi.

Penggunaan reaktor TBR yang dioperasikan dengan aliran co-current menghasilkan bioetanol yang lebih tinggi dibandingkan reaktor berpengaduk (stirred tank), seperti yang dapat dilihat pada Tabel 6.8. Hasil ini menunjukkan bahwa besarnya produk bioetanol tergantung pada jenis mikrob, komposisi media, kondisi operasi proses, dan jenis reaktor yang digunakan.


Tabel 6.8 Produk yang Terbentuk dari Fermentasi Gas Sintesis Menggunakan Reaktor TBR Semi-Kontinu Dibandingkan Reaktor Berpengaduk (Stirred Tank)

Jenis Mikrob Kondisi operasi Produk (g/L)TBR, countercurrent

Clostridium ragsdalei

Media YE, pH: 4,6 EtOH: 5,7Asam asetat: 3,0

TBR, cocurrent


Media YE, pH: 4,6 EtOH: 5,3Asam asetat: 12,3

berpengaduk (Stirred tank =STR)


Media YE, pH: - EtOH: 5,0Asam asetat: 1,5

Clostridium ljungdahlii

Media Basal, pH: 5,5

EtOH: 0,2Asam asetat: 2,2

Clostridium carboxydivorans

Media YE, pH: - EtOH: 1,9Asam asetat: 0,3

Clostridium autoethanogenum

Media dengan mineral termodifikasi; pH: 4.75

Etanol: 0,9 Asam asetat: 0.0 2,3 butanediol: 0,05

Sumber: Devarapalli dkk. (2016)

C. Produk Samping dari Fermentasi Gas SintesisTerbentuknya asam organik, seperti asam asetat, saat proses fer-mentasi gas sintesis menjadi bioetanol, memberi suatu peluang dalam menciptakan produk baru. Produk baru ini nantinya me-nambah nilai keekonomian proses fermentasi secara keseluruhan. Asam organik dapat dipolimerisasi menjadi polyhydroxyalkanoates (PHA). PHA adalah sejenis bioplastik yang merupakan poliester yang bersifat biodegradable. Keberadaan PHA dalam bidang bi-opolimer dapat menggantikan plastik yang berasal dari petroleum (Anjum dkk. 2016).

Lagoa-costa dkk. (2017) melakukan penelitian pemanfaatan asam organik hasil proses fermentasi gas sintesis menjadi PAH. Proses reaksi dilakukan dalam dua tahap. Tahap pertama adalah fermentasi gas sintesis untuk menghasilkan bioetanol. Tahap kedua ialah reaksi konversi asam organik menjadi PAH. Pada proses


fermentasi, campuran gas sintesis yang terdiri atas CO:CO2:H2:N2 sebesar 30:10:20:40 ditambahkan 10% Clostridium autoethanoge-num DSM 10061. Gas sintesis ditambahkan secara kontinu dengan laju 10 mL/min. Mikrob akan mengonsumsi gas sintesis dan men-ingkat mencapai 290 mg/L setelah 217 jam proses fermentasi. Pada saat itu, dihasilkan bioetanol (2220 mg/L), asam asetat (4979 mg/L), dan 2,3-butandiol (1632 mg/L). Proses fermentasi dilanjutkan sam-pai 524 jam proses fermentasi dengan tidak menambahkan lagi gas sintesis. Periode antara 0–217 jam disebut fase asidogenik bakteri, sedangkan periode 217–524 jam disebut fase solventogenik. Pada fase solventogenik, asam asetat dikonversi oleh bakteri menjadi bioetanol. Pada akhir proses, dihasilkan peningkatan bioetanol menjadi 3792 mg/L dan asam asetat menurun menjadi 2664 mg/L.

Pada tahap selanjutnya, effluent fermentasi diproses dengan menggunakan mixed microbial cultures (MMC) agar dihasilkan PHA melalui biokonversi asam asetat. Selama pembentukan PAH, pH dijaga 5,75 dan proses pembentukannya dipercepat dengan ke-hadiran gas H2 sebagai substrat. Pada proses anaerobik tahap kedua ini, bioetanol dan 2,3-butandiol yang sudah terbentuk pada tahap pertama tidak ikut terkonversi. Maksimum PHA yang dihasilkan setelah sekitar 4 jam adalah sebesar 24%.

D. Perbandingan Tekno ekonomi Proses Pembuatan BIOEtanol

Banyak publikasi yang memperlihatkan hasil kajian tekno-ekonomi (techno-economic analysis, TEA) pembuatan bioetanol dari bio-massa lignoselulosa. Kajian tekno-ekonomi biasanya didasarkan pada asumsi-asumsi dalam perencanaan proses dan industri serta data hasil percobaan untuk memperkirakan besar investasi, biaya, dan produk hasil dari bahan baku biomassa tertentu. Phillips dkk. (2017) membandingkan beberapa hasil TEA berdasarkan ukuran


industri, biaya bahan baku, hasil bioetanol, total investasi, dan harga jual minimum (minimum selling price bioetanol/MESP) dari beberapa proses yang dapat dilihat pada Tabel 6.9. Perhitungan pada Tabel 6.9 didasarkan pada nilai dolar tahun 2015 dan sebagai pembanding, harga bioetanol (dari jagung) dan bensin di Amerika Serikat pada April 2017 masing-masing adalah 0,43 US$ per liter dan 0,44 US$ per liter. Kajian-kajian tekno-ekonomi Phillips dkk. (2017) memperlihatkan bahwa untuk 2000 ton bahan baku per hari, investasi pembuatan biobioetanol melalui gasifikasinya lebih besar

Tabel 6.9 Perbandingan Hasil Analisis Tekno-Ekonomi dari Tiga Kelompok Proses Pembuatan Bioetanol dari Biomassa Lignoselulosa

ProsesUkuran pabrik

(MTPD)

Biaya umpan($/mT)

Hasil bioetanol

(L/mT)

TCI($ juta)

MESP($/L)

Proses termo-biokimia (gasificationsyngas fermentation process = GF)

2206 38,70 289 NR 0,442030 80,13 204 575 1,32(a)

2030 80,13 282 NR 1,07 (b)

Proses termokimia (gasificationmixed alcohol catalytic conversion process = GMA)

2140 88,74 236 578 0,86

2000 78,06 350 593 0,62

Proses biokimia (enzymatic hydrolysis fermentation process = EHF)

2000 74,17 330 509 0,652030 80,13 310 301 1,01 (c)

2000 80,13 289 432 1,03 (d)

2000 95,45 250 444 1,11 (e)

Keterangan: mT : metrik tonNR : tidak dilaporkana) konsentrasi bioetanol dalam beer sebesar 24 g/Lb) konsentrasi bioetanol dalam beer sebesar 50 g/L c) konsentrasi bioetanol dalam beer sebesar 70 g/L d) asam terlarut saat perlakuan awal e) ammonia fiber explosion (AFEX)

Sumber: Diadopsi dari Phillips dkk. (2017)


daripada investasi melalui hidrolisis-fermentasi. Hal ini disebab-kan biaya sistem gasifikasi dan pemurnian gas yang cukup besar. Harga jual minimum bioetanol dari proses hidrolisis-fermentasi pada umum nya masih lebih tinggi daripada harga jual minimum bioetanol melalui proses gasifikasi.

E. Prospek Produksi Bioetanol melalui Fermentasi Gas Sintesis

Dalam produksi bioetanol generasi dua dengan bahan baku berupa biomassa lignoselulosa, penggunaan teknologi fermentasi gas sin-tesis dapat dijadikan sebagai teknologi alternatif. Penelitian skala laboratorium di berbagai negara menggunakan teknologi sudah dilakukan pada 2013–2018 walaupun penelitian tentang desain reaktornya sudah ada yang memublikasikan pada 1999. Masih terbatasnya publikasi tentang fermentasi gas sintesis untuk meng-hasilkan bioetanol, teknologi ini memberi peluang kepada para peneliti untuk mengembangkan penelitian bidang mikrobiologi dan teknik kimia, termasuk jenis reaktor/fermentor yang dapat meningkatkan kontak antara gas sintesis dan mikrob).

F. KesimpulanDalam proses fermentasi gas sintesis untuk memproduksi bioetanol, biomassa lignoselulosa digasifikasi menjadi gas sintesis, kemudian gas sintesis difermentasi menggunakan mikrob yang berada di media tumbuh untuk dikonversi menjadi bioetanol. Yield bioetanol yang dihasilkan melalui proses ini ditentukan oleh berbagai fak-tor, yaitu komposisi gas sintesis, jenis mikrob, media tumbuh yang digunakan, dan laju transfer massa gas ke media tumbuh. Pada proses fermentasi ini, gas ditransformasi oleh mikrob untuk membentuk asetil-CoA, kemudian membentuk asam asetat dan etanol, sementara beberapa asetil-CoA dialihkan untuk pertum-


buhan massa sel mikrob. Bioetanol yang terbentuk dipisahkan dan dimurnikan untuk digunakan dalam bahan bakar cair. Sementara itu, asam organik seperti asam asetat dapat dikonversi menjadi bioplastik.

Daftar Pustaka Anjum, A., Zuber, M., Zia, K. M., Noreen, A., Anjum, M.N., & Tabasum,

S. (2016). Microbial production of polyhydroxyalkanoates (PHAs) and its copolymers: A review of recent advancements. International Journal of Biological Macromolecules, 89, 161–174.

Bacovsky, D., Ludwiczek, N., Ognissanto, M., & Wörgetter, M. (2013). Status of Advanced Biofuels Demonstration Facilities in 2012 - A REPORT TO IEA BIOENERGY TASK 39.

Balas, M., Lisy, M., & Moskalik, J. (t.t.). Temperature and pressure effect on gasification process 2. Methodology of measurements at Biofluid fluid, 2–6.

Bertsch, J., & Müller, V. (2015). Bioenergetic constraints for conversion of syngas to biofuels in acetogenic bacteria. Biotechnology for Biofuels, 8(1), 1–12. https://doi.org/10.1186/s13068-015-0393-x.

Biagini, E., Barontini, F., & Tognotti, L. (2014). Gasification of agricultural residues in a demonstrative plant: Corn cobs. Bioresource Technology, 173, 110–116. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.09.086.

Biagini, E., Barontini, F., & Tognotti, L. (2015). Gasification of agricultural residues in a demonstrative plant: Vine pruning and rice husks. Bioresource Technology, 194, 36–42. https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2015.07.016.

Bredwell, M. D., Srivastava, P., & Worden, R. M. (1999). Reactor design issues for synthesis‐gas fermentations. Biotechnology Progress, 15(5), 834–844. https://doi.org/10.1021/bp990108m.

Cardona, C. A., & Sanchez, O. J. (2007). Fuel ethanol production: Process design trends and integration opportunities. Bioresource Technology, 98, 2415–2457. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.01.002.

Cummer, K. R., & Brown, R. C. (2002). Review: Ancillary equipment for biomass gasification. Biomass and Bioenergy, 23, 113–128.


Devarapalli, M., & Atiyeh, H. K. (2015). A review of conversion processes for bioethanol production with a focus on syngas fermentation. Biofuel Research Journal, 7, 268–280. https://doi.org/10.18331/BRJ2015.2.3.5.

Devarapalli, M., Atiyeh, H. K., Phillips, J. R., Lewis, R. S., & Huhnke, R. L. (2016). Ethanol production during semi-continuous syngas fermentation in a trickle bed reactor using Clostridium ragsdalei. Bioresource Technology, 209, 56–65. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.02.086.

Devi, L., Ptasinski, K. J., & Janssen, F. J. J. G. (2003). A review of the primary measures for tar elimination in biomass gasification processes. Biomass and Bioenergy, 24, 125–140.

El-gammal, M., Abou-shanab, R., Angelidaki, I., & Omar, B. (2017). High efficient ethanol and VFA production from gas fermentation: Effect of acetate, gas and inoculum microbial composition. Biomass and Bioenergy, 105, 32–40. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2017.06.020.

Farzad, S., Mandegari, M. A., & Görgens, J. F. (2016). A critical review on biomass gasification, co-gasification, and their environmental assessments. Biofuel Research Journal, 12, 483–495. https://doi.org/10.18331/BRJ2016.3.4.3.

Gao, J., Atiyeh, H. K., Phillips, J. R., Wilkins, M. R., & Huhnke, R. L. (2013). Development of low cost medium for ethanol production from syngas by Clostridium ragsdalei. Bioresource Technology, 147, 508–515. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.08.075.

Griffin, D. W., & Schultz, M. A. (2012). Fuel and chemical products from biomass syngas: A comparison of gas fermentation to thermochemical conversion routes. Environmental Progress & Sustainable Energy, 31(2), 219–224. https://doi.org/10.1002/ep.11613.

He, J., & Zhang, W. (2008). Research on ethanol synthesis from syngas. Journal of Zhejiang University SCIENCE A, 9(5), 714–719. https://doi.org/10.1631/jzus.A071417.

Huang, B., Chen, H., Chuang, K., Yang, R., & Wey, M. (2012). Hydrogen production by biomass gasification in a fluidized-bed reactor promoted by an Fe / CaO catalyst. International Journal of Hydrogen Energy, 37, 6511–6518. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.01.071.

Kim, Y. K., & Lee, H. (2016). Use of magnetic nanoparticles to enhance bioethanol production in syngas fermentation. Bioresource Technology, 204, 139–144. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.01.001.


Kumar, A., Jones, D. D., & Hanna, M. A. (2009). Thermochemical biomass gasification: A review of the current status of the technology. Energies, 2, 556–581. https://doi.org/10.3390/en20300556.

Lagoa-costa, B., Abubackar, H. N., Fernández-romasanta, M., Kennes, C., & Veiga, M. C. (2017). Integrated bioconversion of syngas into bioethanol and biopolymers. Bioresource Technology, 239, 244–249. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.05.019.

Lane, J. (2012). The new syngas: New catalysts, opportunities for advanced biofuels. Diakses dari https://www.biofuelsdigest.com/bdigest/ 2012/11/26/the-new-syngas-new-catalysts-opportunities-for-advanced-biofuels/.

Lane, J. (2018). Commercial time: Aemetis embarks on $158 million cellulosic ethanol project in California. Diakses dari https://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2018/03/08/commercial-time-aemetis-embarks-on-158- million-cellulosic-ethanol-project-in-california/.

Lanzatech. (2014). Technical background on the LanzaTech Process, 1–5. Diakses dari www.arpae-summit.com/paperclip/exhibitor_docs/14AE/LanzaTech_Inc._131.pdf.

Li, C., & Suzuki, K. (2009). Tar property, analysis, reforming mechanism and model for biomass gasification — An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, 594–604. https://doi.org/10.1016/j.rser.2008.01.009.

Li, X., Xu, W., Yang, J., Zhao, H., Xin, H., & Zhang, Y. (2016). Effect of different levels of corn steep liquor addition on fermentation characteristics and aerobic stability of fresh rice straw silage. Animal Nutrition, 2(4), 345–350. https://doi.org/10.1016/j.aninu.2016.09.003.

Liu, K., Atiyeh, H. K., Stevenson, B. S., Tanner, R. S., Wilkins, M. R., & Huhnke, R. L. (2014). Continuous syngas fermentation for the production of ethanol, n-propanol and n-butanol. Bioresource Technology, 151, 69–77. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.10.059.

Lopez, L., Velasco, J., Montes, V., Marinas, A., Cabrera, S., Boutonnet, M., & Järås, S. (2015). Synthesis of ethanol from syngas over rh/mcm-41 catalyst: effect of water on product selectivity. Catalysts, 5, 1737–1755. https://doi.org/10.3390/catal5041737.

Michel, R., Rapagna, S., Burg, P., di Celso, G. M., Courson, C., ... Gruber, R. (2011). Steam gasification of Miscanthus X Giganteus with olivine as catalyst production of syngas and analysis of tars (IR , NMR and GC/MS). Biomass and Bioenergy, 35(7), 2650–2658. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.02.054.


Narvaez, I., Orio, A., Aznar, M. P., & Corella, J. (1996). Biomass gasification with air in an atmospheric bubbling fluidized bed. Effect of six operational variables on the quality of the produced raw gas. Industrial & Engineering Chemistry Research, 35(7), 2110–2120.

Nina, L. G. L. (2017). Catalytic conversion of syngas to ethanol and higher alcohols over Rh and Cu based catalysts. KTH Royal Institute of Technology.

Phillips, J. R., Huhnke, R. L., & Atiyeh, H. K. (2017). Syngas fermentation: A microbial conversion process of gaseous substrates to various products. Fermentation, 3(2), 28. https://doi.org/10.3390/fermentation3020028.

Sales, C. A. V. B. de, Maya, D. M. Y., Lora, E. E. S., Jaén, R. L., Reyes, A. M. M., González, A. M., … Martínez, J. D. (2017). Experimental study on biomass (eucalyptus spp.) gasification in a two- stage downdraft reactor by using mixtures of air, saturated steam and oxygen as gasifying agents. Energy Conversion and Management, 145, 314–323. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.04.101.

Sharma, A. K. (2009). Experimental study on 75 kW th downdraft ( biomass ) gasifier system. Renewable Energy, 34(7), 1726–1733. https://doi.org/10.1016/j.renene.2008.12.030.

Shen, Y., Brown, R. C., & Wen, Z. (2017). Syngas fermentation by Clostridium carboxidivorans P7 in a horizontal rotating packed bed biofilm reactor with enhanced ethanol production. Applied Energy, 187, 585–594. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.084.

Shen, Y., Brown, R., & Wen, Z. (2014). Enhancing mass transfer and ethanol production in syngas fermentation of Clostridium carboxidivorans P7 through a monolithic biofilm reactor. Applied Energy, 136, 68–76. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.08.117.

Simanungkalit, S. P. (2016). Simulasi numerik proses gasifikasi limbah tandan kosong kelapa sawit. Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan, 12(1), 11–20.

Singla, A., Verma, D., Lal, B., & Sarma, P. M. (2014). Enrichment and optimization of anaerobic bacterial mixed culture for conversion of syngas to ethanol. Bioresource Technology, 172, 41–49. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.08.083

Sun, X., Atiyeh, H. K., Kumar, A., & Zhang, H. (2018). Enhanced ethanol production by Clostridium ragsdalei from syngas by incorporating biochar in the fermentation medium. Bioresource Technology, 247 (September 2017), 291–301. https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2017.09.060


Weiland, F., Hedman, H., Marklund, M., Wiinikka, H., & Gebart, R. (2013). Pressurized oxygen blown entrained-flow gasification of wood powder. Energy & Fuels, 27, 932−941.

Xu, H., Liang, C., Yuan, Z., Xu, J., Hua, Q., & Guo, Y. (2017). A study of CO / syngas bioconversion by Clostridium autoethanogenum with a flexible gas-cultivation system. Enzyme and Microbial Technology, 101, 24–29. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2017.03.002.

Yao, J., Liu, J., Hofbauer, H., Chen, G., Yan, B., Shan, R., & Li, W. (2016). Biomass to hydrogen-rich syngas via steam gasification of bio-oil / biochar slurry over LaCo 1 À x Cu x O 3 perovskite-type catalysts. Energy Conversion and Management, 117, 343–350. https://doi.org/10.1016/ j.enconman.2016.03.043.

Yue, H., Ma, X., & Gong, J. (2014). An alternative synthetic approach for efficient catalytic conversion of syngas to ethanol. Account of Chemical Research, 47, 1483−1492.

Zainal, Z. A., Rifau, A., Quadir, G. A., & Seetharamu, K. N. (2002). Experimental investigation of a downdraft biomass gasifier. Biomass and Bioenergy, 23(4), 283–289.

Zheng, Y., Pan, Z., & Zhang, R. (2009). Overview of biomass pretreatment for cellulosic ethanol production. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2(3), 51–68. https://doi.org/10.3965/j.issn.1934-6344.2009.03.051-068.

Zuo, Z., Peng, F., & Huang, W. (2016). Efficient synthesis of ethanol from ch 4 and syngas on a Cu-Co/TiO 2 catalyst using a stepwise reactor. Nature Publishing Group, 6(34670), 1–10. https://doi.org/10.1038/srep34670.

187

7TEKNOLOGI PROSES

PEMISAHAN DAN PEMURNIAN BIOETANOL GENERASI DUA

Joddy Arya Laksmono, Joko Waluyo, dan Yan Irawan

A. Proses Pemisahan dan Pemurnian BioetanolProses pemisahan dan pemurnian bioetanol bertujuan men-dapatkan bioetanol fuel grade (konsentrasi 99,9%). Pemurnian bioetanol untuk mencapai fuel grade tidak dapat dicapai dengan teknologi konvensional yang berdiri sendiri, tetapi memerlukan kombinasi teknologi pemisahan dan pemurnian yang andal dan ekonomis. Sebagai contoh, untuk larutan yang mengandung etanol 10% hingga mencapai 85% berat, dapat dipisahkan menggunakan distilasi konvensional. Namun, untuk konsentrasi etanol lebih dari 85% berat, diperlukan proses distilasi dengan rasio refluks tinggi dan peralatan tambahan yang sangat mahal serta energi yang tinggi (Huang, Ramaswamy, Tschirner, & Ramarao, 2008).

Teknologi proses pemisahan dan pemurnian untuk mendapat-kan fuel grade bioetanol G2 tidak berbeda dengan pemurnian bio etanol menggunakan bahan baku lainnya. Bahan baku G2 di sini adalah biomassa lignoselulosa yang umumnya merupakan limbah dari hasil pertanian maupun perkebunan, contohnya


tandan kosong sawit. Perbedaan proses untuk bioetanol G1 dan G2 terletak pada proses awal saja, yaitu proses perlakuan awal (pretreatment), sedangkan untuk proses pemisahan dan pemurnian tidak berbeda. Bioetanol yang dihasilkan dari proses fermentasi mengandung kadar air yang sangat tinggi. Kadar air tersebut dapat dipisahkan melalui proses distilasi dengan kadar maksimum yang dapat dicapai, yaitu pada konsentrasi 95,6% berat (97,2% volume), temperatur 78,15 °C, dan dengan tekanan 1,013 bar (Huang dkk., 2008). Pada konsentrasi ini, air tidak dapat lagi dipisahkan karena berada pada titik azeotrop. Istilah azeotrop berasal dari bahasa Yunani; “a” artinya tidak, “zeo” artinya mendidih, dan “tropos” berarti cara. Jadi, azeotrop berarti tidak mendidih dengan cara apa pun. Hal ini mengacu pada campuran dua atau lebih komponen dalam kondisi kesetimbangan di mana komposisi uap dan cairan akan sama pada tekanan dan temperatur tertentu. Pada prinsipnya, uap memiliki komposisi yang sama dengan cairan.

Sementara itu, campuran akan mendidih pada temperatur di antara temperatur didih komponen murninya. Titik azeotrop kadang ditujukan untuk komponen tunggal karena campuran etanol-air mendidih pada temperatur konstan. Namun, dengan melakukan perubahan variasi tekanan, temperatur didih akan berubah sehingga komposisi campuran mudah dibedakan dengan komponen murninya (Abildskov & O’Connell, 2015). Azeotrop merupakan karakteristik dari kesetimbangan fase nonlinear cam-puran dengan interaksi molekul yang kuat. Azeotrop terbentuk ka-rena perbedaan gaya tarik-menarik antarmolekul setiap komponen dalam campuran, misalnya ikatan hidrogen dan ikatan lainnya. Deviasi dari kondisi ideal ditentukan oleh keseimbangan gaya kimia-fisika yang terbentuk pada setiap komponen yang identik dan berbeda (Yang, 1987).

Teknologi Proses Pemisahan ... 189

Kemudahan pemisahan campuran yang diinginkan dengan komponen kunci i dan j tergantung pada volatilitas relatif.

//

i i iij

j j j

y x Kay x K

= = (1)

x mewakili fraksi molar dalam fase cair dan y fraksi molar fase uap, sementara 0

iP adalah tekanan uap jenuh dari komponen murni i. Pada saat volatilitas relatif komponen yang akan dipisahkan mendekati sama, penambahan pelarut dapat digunakan untuk mengubah perbedaan volatilitas relatif sejauh antara fase uap dan fase cair. Jika rasio

0

0i

j

PP tetap atau konstan, modifikasi volatilitas

relatif dapat dilakukan dengan mengubah rasio /i jγ γ , yang disebut sebagai selektivitas ijS :

iij

j n

S γγ

=

(2)

Selain mengubah volatilitas relatif, pelarut juga harus mudah dipisahkan dari produk distilasi. Pelarut yang digunakan harus memiliki perbedaan titik didih yang tinggi dengan komponen yang akan dipisahkan, tidak menyebabkan korosi, dan harga yang ekonomis (Lei, Li, & Chen, 2003). Perubahan volatilitas relatif akan mengubah faktor pemisahan (koefisien aktivitas) dalam sistem distilasi. Dua komponen yang akan dipisahkan umumnya memiliki titik didih yang dekat atau campuran azeotrop (Kiss & Suszwalak, 2012).

Berdasarkan telaah fundamental dari proses distilasi dan ada nya titik azeotrop antara etanol dan air, diperlukan pergeseran volatilitas dari salah satu komponen etanol dan air. Beberapa proses hibrid yang berkembang berdasarkan konsep dasar ini di antaranya teknologi distilasi azeotropik dan teknologi ekstraktif-distilasi.


Dalam kaitannya dengan produksi bioetanol, pemisahan dan pemurnian campuran etanol-air dibagi menjadi dua langkah besar. Pertama, produksi etanol pada konsentrasi hingga 92,4% berat, dihasilkan dengan menggunakan distilasi konvensional. Tahap berikutnya, etanol yang dihasilkan diproses lebih lanjut melalui dehidrasi secara berurutan untuk mencapai etanol anhidrat (fuel grade). Tahapan ini menggunakan berbagai teknologi, misalnya distilasi azeotropik, distilasi ekstraktif, ekstraksi cair-cair, adsorpsi dengan molecular sieve, pressure swing adsorption. Tahapan ini juga bisa menggunakan beberapa metode pemisahan hibrida yang lebih kompleks, misalnya dehidrasi kimia, distilasi difusi, distilasi membran, dan ekstraktif fermentasi (Huang dkk., 2008; Aditiya, Mahlia, Chong, Nur, & Sebayang, 2016). Pilihan alternatif lain adalah penggunaan proses pemisahan dengan cara distilasi bertingkat yang dilanjutkan dengan proses dehidrasi dengan cara adsorpsi (Laksmono, Sudibandriyo, Saputra, & Haryono, 2017).

B. Teknologi Proses Pemurnian Bioetanol G2Seperti telah dijelaskan sebelumnya, pemurnian bioetanol pada umumnya terdiri atas dua tahapan. Pertama, proses pemisahan menggunakan distilasi hingga mencapai konsentrasi bioetanol pada titik azeotropnya, yakni 95,6% berat. Kedua, proses dehidrasi menggunakan berbagai teknologi untuk mencapai kemurnian bioetanol fuel grade.

1. Teknologi DistilasiDistilasi adalah metode pemisahan yang umum digunakan dalam industri kimia dan biokimia. Distilasi uap terbuka (open steam distillation) merupakan tahap awal untuk pemurnian bioetanol dari air. Dengan penambahan uap, campuran bioetanol-air akan men-didih pada suhu yang lebih rendah (<100°C pada 1 atm) sehingga


bioetanol dapat dipisahkan dan tidak terdekomposisi menjadi senyawa lain. Secara umum, persyaratan yang harus dipenuhi agar distilasi dapat terjadi adalah adanya perbedaan volatilitas relatif antara fase uap dan fase cair sebagai kekuatan pendorong (driving force); serta kolom pemisah yang dapat menyediakan luas bidang kontak yang tinggi. Jika volatilitas relatif antara fase uap dan cair dekat, diperlukan komponen ketiga, yaitu agen pemisah, pelarut, atau entrainer. Dalam suatu kolom distilasi, komponen tersebut harus ditambahkan ke dalam campuran untuk meningkatkan volatilitas relatif (Ramaswamy, Huang, & Ramarao, 2013).

Selain mengubah volatilitas relatif, pelarut juga harus mudah dipisahkan dari produk distilasi. Pelarut yang digunakan harus memiliki perbedaan titik didih yang tinggi dengan komponen yang akan dipisahkan, tidak menyebabkan korosi, dan harga yang ekono-mis (Lei dkk., 2003). Perubahan volatilitas relatif akan mengubah faktor pemisahan (koefisien aktivitas) dalam sistem distilasi. Dua komponen yang akan dipisahkan umumnya memiliki temperatur titik didih yang dekat atau dikenal dengan campuran azeotrop (Kiss & Suszwalak, 2012).

Pengembangan teknologi distilasi sebagai alat pemisah yang andal terus dilakukan di laboratorium dan industri. Perbaikan kecil dalam distilasi dapat meningkatkan nilai ekonomi proses. Banyak pendekatan pengembangan teknologi distilasi bioetanol telah dikembangkan untuk memperbaiki efisiensi sistem. Griend dan Lee (2007) mengembangkan sistem produksi bioetanol dengan menggabungkan fermentor dan kolom distilasi yang dapat meng-hasilkan sistem yang hemat energi dan air serta waktu proses yang lebih singkat. Namun, sistem ini masih memerlukan energi yang cukup besar untuk menguapkan etanol, yang biasanya menggu-nakan steam dari boiler. Salah satu pendekatan untuk mengurangi jumlah bahan bakar adalah dengan pemanfaatan panas kolom


distilasi untuk memanaskan umpan brooth yang akan masuk kolom distilasi (Grethlein & Lynd, 1990). Yang, Boots, dan Zhang (2012) memperkenalkan sistem distilasi etanol dan pemanfaatan panas menggunakan energi panas yang dihasilkan dari gas buang fasilitas pembangkit listrik melalui berbagai jenis penukar panas. Pengembangan dan inovasi pada sistem internal distilasi harus tidak rumit dalam struktur geometrik-nya dan dapat diproduksi dengan mudah dan murah. Inovasi teknologi untuk memecahkan masalah pemisahan bioetanol adalah sebagai berikut.a. Proses distilasi langsung digabung dengan fermentor sehingga

konsentrasi etanol bisa meningkat dari 5–10% menjadi 92,5% berat dengan penggunaan multi-overflow tray (aliran ganda) (Huang dkk., 2008).

b. Model big-hole flow-guided sieve tray cocok digunakan untuk memisahkan hasil fermentasi yang masih mengandung slurry untuk mendapatkan etanol konsentrasi tinggi.

Pemisahan produk fermentasi dan distilat diperlukan untuk mencapai proses pemisahan yang ramah lingkungan. Oleh karena itu, menangani persyaratan lingkungan menjadi tantangan berke-lan jutan dalam pemisahan dan pemurnian dalam biorefinary (Nguyen & Demirel, 2010; Atadashi, Aroua, & Aziz, 2011).

2. Distilasi AzeotropikDistilasi azeotropik dapat dilakukan apabila campuran biner tidak memenuhi hukum Raoult; dan ada penambahan zat kimia ketiga (entrainer) dalam campuran azeotropik biner (Kumar, Singh, & Prasad, 2010). Penambahan entrainer dapat memperbaiki fluktuasi relatif azeotrop. Entrainer dapat dipisahkan dan digunakan kembali (recovery) melalui metode dekantasi secara kontinu (Treybal, 1980). Diagram alir proses distilasi azeotropik untuk dehidrasi etanol dapat dilihat pada Gambar 7.1. Campuran biner dialirkan


ke kolom distilasi azeotropik dan aliran entrainer masuk di bagian atas umpan, sedangkan bagian bawah kolom distilasi merupakan tempat etanol anhidrat dihasilkan. Pemberian entrainer ke dalam campuran biner menghasilkan azeotrop terner, yang kemudian dialirkan ke dekanter untuk proses recovery sebelum digunakan kembali dan diumpankan ke dalam kolom distilasi azeotropik.

Sistem distilasi azeotropik biasanya terdiri atas dua kolom untuk mendehidrasi etanol dari konsentrasi 95,6% berat menjadi konsentrasi fuel grade, yaitua. Kolom dehidrasi (kolom azeotropik) untuk menghasilkan

etanol fuel grade dengan penambahan entrainer;b. Kolom recovery entrainer (kolom stripping) untuk pemisahan

entrainer dari aliran produk.

Sumber: Luyben (2006)

Gambar 7.1 Diagram Alir Proses Distilasi Azeotropik untuk Dehidrasi Bioetanol

entrainer


Pada dasar kolom dehidrasi, dihasilkan etanol fuel grade, sementara uap air, pelarut, dan sejumlah kecil etanol keluar dari puncak. Aliran bagian atas kolom masuk ke dalam pemisah (dekanter) dan terbagi menjadi fase organik (sebagian kecil etanol dan entrainer) dan fase air (air dan entrainer). Distilat dilakukan refluks kembali ke kolom dehidrasi, sedangkan yang kedua diproses di kolom recovery entrainer (Kovach & Seider, 1987).

Entrainer yang umum digunakan untuk memecah azeotrop sistem biner etanol-air adalah benzena, toluena, sikloheksana serta campuran benzena dan n-oktana. Distilasi azeotrop dua kolom mempunyai beberapa kelemahan, yaitu memerlukan energi besar, membutuhkan biaya besar serta faktor keamanan dan kesehatan karena penggunaan pelarut yang mudah terbakar dan karsinogenik (Gomis, Font, Pedraza, & Saquete, 2005).

3. Distilasi-EkstraktifPada distilasi-ekstraktif , pelarut cair konvensional yang digunakan sebagai ekstraktan (agen ekstraktif) biasanya memiliki temperatur didih tinggi. Distilasi-ekstraktif yang khas untuk dehidrasi etanol diilustrasikan pada Gambar 7.2. Sejumlah pelarut dengan tempera-tur didih tinggi dimasukkan di bagian atas kolom sebagai umpan. Salah satu pelarut yang paling umum digunakan pada distilasi-ekstraktif untuk dehidrasi etanol adalah etilen glikol. Penggunaan etilen glikol untuk menghasilkan etanol anhidrat dari brooth etanol hasil fermentasi, kolom ekstraktif-distilasi dioperasikan pada 18 tahap teoretis, rasio refluks rendah (1,5) dan rasio pelarut/umpan rendah (0,27). Etanol anhidrat diperoleh sebagai raffinate (kolom C1), sedangkan etilen glikol dan air dipisahkan pada kolom C2, dan etilen glikol dapat digunakan kembali (Lynd & Grethlein, 1984).

Garam terlarut (kalium asetat, natrium asetat dan kalsium klorida) yang digunakan untuk dehidrasi etanol dapat berfungsi


Sumber: Huang, dkk. (2008)

Gambar 7.2. Diagram Alir Proses Ektraktif-Distilasi, (C1) Kolom Ekstraktif-Distilasi, (C2) Kolom Recovery Pelarut

juga sebagai agen pemisah dalam distilasi-ekstraktif . Caranya, garam tersebut dimasukkan ke dalam sistem cairan sehingga dapat meningkatkan volatilitas relatif dari komponen yang lebih mudah menguap dari campuran yang akan dipisahkan. Hal ini disebut efek garam (Cook & Furter, 1968; Furter, 1992). Cook dan Furter (1968) mempelajari proses distilasi-ekstraktif dengan kalium asetat sebagai agen pemisah di kolom bubble-cap tray skala pilot, dan menemukan bahwa azeotrop etanol-air dapat dihilangkan dengan penambahan garam dalam jumlah relatif kecil. Kelebihan dan ke-ku rangan garam terlarut dan ekstraktan cair konvensional juga di pelajari, dan ditemukan bahwa distilasi-ekstraktif menggunakan garam lebih efisien untuk pemisahan etanol-air.


Kombinasi ekstraktan cair dan garam terlarut dalam jumlah sedikit dapat digunakan sebagai agen pemisah dalam proses distilasi -ekstraktif untuk pemurnian etanol, dengan proses flowsheet yang sama (Gambar 7.4). Lei, Wang, Zhou, & Duan (2002) mengukur kesetimbangan uap-cair tiga sistem (etanol-air, etanol-air-etilena glikol, dan etanol-air-etilena glikol-CaCl2) pada konsentrasi yang tertentu dan tekanan atmosferik. Hasil penelitian membuktikan bahwa distilasi-ekstraktif dengan gabungan etilena glikol dan garam terlarut lebih efisien memisahkan campuran etanol-air dibanding kan hanya menggunakan etilena glikol.

Alternatif lain untuk proses distilasi-ekstraktif adalah dengan penggunaan cairan ionik (IL) sebagai agen pemisah. Kelebihan cairan ionik memiliki kemampuan pemisahan yang tinggi, peng-operasian yang mudah, dan tidak ada masalah entrainment pelarut ke dalam produk atas kolom distilasi dibandingkan campuran pelarut cair dan garam terlarut. Cairan ionik sebagai agen pemisah juga dapat meningkatkan volatilitas relatif etanol terhadap air ka-rena efek cairan ionik mirip dengan garam terlarut (Seiler, Jork, Kavarnou, Arlt, & Hirsch, 2004). Cairan ionik (IL) atau cairan temperatur kamar ionik (biasanya campuran kation organik dan anion anorganik) menjadi agen pemisah yang menjanjikan untuk proses distilasi-ekstraktif pada campuran etanol-air. Cairan ionik memiliki beberapa kelebihan lainnya, yaitu viskositas rendah, sifat termal yang stabil, kelarutan yang baik, dan tingkat korosivitas lebih rendah dibandingkan garam terlarut. Cairan ionik komersial sebagai agen pemisah untuk distilasi-ekstraktif etanol-air adalah 1-butil-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM]+[BF4]-), 1-etil-3-thylimidazolium tetrafluoroborate ([Emim]+[BF4]-), dan 1-butil-3-methylimidazolium chloride ([BMIM]+[Cl]-) (Arlt, Seiler, Jork, & Schneider, 2001).


Seperti halnya cairan ionik, polimer hyperbranched juga dapat digunakan sebagai agen pemisah pada proses distilasi-ekstraktif untuk dehidrasi etanol dari air. Polimer hyperbranched merupakan makromolekul bercabang dengan banyak gugus fungsional (Seiler dkk., 2004). Tidak seperti polimer linear, polimer hyperbranched memiliki fitur selektivitas dan kapasitas adsorpsi yang sangat baik, viskositas rendah, dan stabil terhadap termal. Oleh karena itu, mate-rial ini dapat digunakan sebagai entrainers pada proses distilasi-ekstraktif untuk memisahkan campuran azeotropik etanol-air. Studi terhadap entrainers menggunakan polimer non-volatil, seperti polietilen glikol dan poliasam akrilat, dilakukan untuk dehidrasi etanol. Paramater kelarutan dan model matematis digunakan seba-gai panduan dalam pemilihan jenis polimer yang akan digunakan. Data kesetimbangan uap-cair (vapor liquid equilibrium-VLE) yang diukur menunjukkan bahwa entrainers polimer polietilen glikol pada 10% (b/b) dan poliasam akrilat pada 0,45% (b/b), dapat memecah campuran azeotrop etanol-air untuk proses dehidrasi etanol (Otero, Zabkova, & Rodrigues, 2005).

4. Teknologi Pressure Swing Adsorption (Adsorpsi-Desorpsi Simultan)

Dalam proses adsorpsi, molekul fluida pada fasa cair atau gas akan terikat pada permukaan fase padat (adsorben). Mekanisme peng ikatan pada permukaan ini dapat terjadi pada setiap antar-muka padat-cairan ataupun padat-gas yang disebut adsorpsi. Komponen yang teradsorpsi pada adsorben disebut adsorbat dan komponen dalam fluida pada fase cair atau gas sebelum adsorpsi disebut adsorptif. Adsorpsi tidak dapat disamakan dengan absorpsi. Absorpsi adalah suatu proses ketika komponen menembus atau ter-larut ke dalam sebagian besar adsorben padat atau cair (Dabrowski, 2001). Pemahaman adsorpsi dimulai pada 1794 saat arang tulang digunakan sebagai agen dekolorisasi dalam industri gula di Inggris.


Kemudian, terjadi revolusi teknologi adsorpsi ketika zeolit sintetis diproduksi secara komersial oleh Linde pada 1956. Hingga saat ini, berkembang adsorben baru yang dihasilkan dengan perbaikan sifat-sifat fisika-kimia serta dapat menghasilkan proses pemisahan yang efisien, baik secara teknis maupun ekonomi (Breck, Eversole, Milton, Read, & Thomas, 1956).

Adsorpsi terjadi karena adanya gaya tarik antara permukaan adsorben dan molekul adsorbat, dan yang paling sering terjadi ada-lah gaya van der Waals (dispersi dan repulsi), gaya elektrostatik, dan ikatan kimia. Gaya Van der Waals merupakan gaya tarik menarik listrik yang relatif lemah akibat kepolaran molekul yang permanen atau terinduksi. Kepolaran permanen terjadi akibat kepolaran di dalam molekul, sedangkan kepolaran tidak permanen terjadi akibat molekul terinduksi oleh partikel lain yang bermuatan sehingga molekul bersifat polar sesaat secara spontan. Secara khusus, gaya elektrostatik adalah reaksi fisik yang memegang bersama medan elektromagnetik yang diciptakan oleh partikel-partikel subatomik, seperti elektron dan proton. Agar gaya elektrostatik untuk tetap kohesif, partikel-partikel ini harus independen mempertahankan muatan, baik positif maupun negatif dan bereaksi yang sesuai satu sama lain. Sementara itu, ikatan kimia adalah sebuah proses fisika yang bertanggung jawab dalam interaksi gaya tarik-menarik antara dua atom atau molekul yang menyebabkan suatu senyawa diatomik atau poliatomik menjadi stabil. Secara umum, ikatan ki mia yang kuat diasosiasikan dengan transfer elektron antara dua atom yang berpartisipasi. Ikatan kimia menjaga molekul-molekul, kristal, dan gas-gas diatomik untuk tetap bersama (Ladd, 1994). Berdasarkan fenomena proses adsorpsi, terdapat dua jenis interaksi antara adsorbat dan adsorben, yakni i) fenomena adsorpsi fase gas-padat, yaitu gas sebagai adsorbat akan berinteraksi dengan adsorben sebagai fasa padatnya, ii) fase cair-padat. Pada studi kasus proses pemurnian bioetanol menggunakan teknologi adsorpsi ini, terjadi


fenomena adsorpsi fase cair-padat, interaksi pelarut dengan adsorbat dan adsorben memengaruhi proses adsorpsi. Berdasarkan jenis gaya tarik yang terlibat, adsorpsi diklasifikasikan sebagai adsorpsi fisik dan adsorpsi kimia. Pada adsorpsi fisik ( physisorption), yang berperan adalah gaya van der Waals dan elektrostatik yang lemah. Oleh karena itu, adsorpsi ini disebut adsorpsi van der Waals. Pada umumnya, adsorpsi fisik tergolong proses eksotermis dan dapat dilakukan proses desorpsi dengan memanaskan atau menurunkan tekanan adsorbat (seperti dalam kasus gas). Dalam adsorpsi kimia (chemisorption), gaya atraktif diatur oleh ikatan kimia. Jenis adsorpsi ini tidak dapat dilakukan proses desorpsi karena melibatkan gaya π-complexation (Yang, 2003).

Kemajuan teknologi adsorpsi tergantung pada pengembangan adsorben baru yang memiliki sifat fisika-kimia yang baik. Adsorben ini memiliki berbagai bentuk struktur kimia dan geometri. Tabel 7.1 menunjukkan klasifikasi umum adsorben dari beberapa adsorben komersial dan baru yang memiliki aplikasi potensial dalam proses pemisahan bioetanol.Tabel 7.1 Klasifikasi Adsorben Komersial dan Baru

Adsorben Karbon (komersial)

Adsorben Mineral(komersial)

Adsorben Lainnya(baru)

Karbon aktif Silika gel Polimer sintetisFiber karbon aktif Alumina aktif Adsorben komposit

(karbon mineral kompleks, X-ellutrillite: X = Zn, Ca)

Karbon molecular sieve Metal oksida Mixed sorbentsMesocarbon microbeads

Metal hidroksida Metal Organic Frameworks (MOFs)

Fullerens ZeolitHeterofullerens Mineral tanah liatCarbonaceous nanomaterial

Pillared clay

Porous clay heterostructured (PCHs)Nanomaterial anorganik

Sumber: Dabrowski (2001)


a. Karbon Aktif Karbon aktif adalah adsorben yang paling banyak digunakan ka-rena memiliki volume pori yang besar dan luas permukaan yang tinggi. Karbon aktif dapat dibuat dari bahan organik karbon apa pun. Karbon aktif komersial terbuat dari berbagai bahan, seperti serbuk gergaji, kayu, arang, gambut, lignit, kokas minyak bumi, batubara bituminus, dan batok kelapa. Langkah aktivasi yang secara komersial digunakan adalah aktivasi uap dan aktivasi kimia (Yang, 2003).

Sifat-sifat penting adsorben, yang akan memengaruhi karak-teristik adsorpsi, yaitu distribusi ukuran pori, luas permukaan, kualitas permukaan (sifat hidrofobik/hidrofilik dan gugus fungsi), dan sifat fisik (kekerasan, bulk density, dan distribusi ukuran par-tikel). Karbon aktif memiliki distribusi ukuran pori polimodal, dan berdasarkan IUPAC, distribusi ukuran pori-pori didefinisikan sebagai berikut.1) Mikropori radius < 1 nm.2) Mesopori radius 1–25 nm.3) Makropori radius > 25 nm.

Makropori digunakan sebagai pintu masuk ke dalam karbon aktif, sedangkan mesopori untuk melakukan transportasi partikel atau fluida, dan mikropori berfungsi untuk adsorpsi. Volume pori total karbon aktif bisa mencapai 80% per satuan beratnya. Karbon aktif yang digunakan untuk aplikasi pada fase gas dirancang agar memiliki ukuran pori mulai dari 10 hingga 25 Å. Sementara itu, pada aplikasi fase cair, ukuran pori akan lebih besar dari 30 Å untuk mengurangi resistensi transfer massa molekul adsorbat terlarut yang memiliki ukuran yang besar.

Luas permukaan merupakan indikator utama tingkat aktivitas karbon aktif, dengan nilai rata-rata 300 hingga ∼4000 m2.g−1, yang


diukur dengan metode BET. Kapasitas adsorpsi biasanya 1–35% berat. Permukaan karbon aktif pada dasarnya nonpolar dan sedikit polar yang timbul karena adanya gugus oksida permukaan. Karbon aktif memiliki bulk density antara 400–640 kg/m3. Karbon aktif diklasifikasikan berdasarkan karakteristik fisiknya, yaitu karbon aktif bubuk (powdered activated carbon/PAC), karbon aktif granul (granular activated carbon/GAC), karbon aktif ekstrudasi (extruded activation carbon/ EAC), dan bio-karbon aktif (biological activated carbon/BAC). Pertimbangan ukuran partikel karbon aktif mem-berikan manfaat yang signifikan, terutama dalam penggunaan tekanan rendah dan kinetika adsorpsi (Yang, 2003).

b. Zeolit Zeolit adalah material aluminosilikat kristal mikropori. Satuan struktural dasar dari kerangka zeolit adalah tetrahedra dari silika dan aluminium serta SiO4 dan AlO4 yang terkait satu sama lain oleh atom oksigen. Klaster unit-unit ini membentuk banyak unit bangunan polyhedral sekunder, yang kemudian dihubungkan mem bentuk kerangka kerja tiga dimensi. Terdapat 194 kerangka zeolit unik yang sudah diidentifikasi dan sebanyak lebih dari 40 kerang ka tersebut merupakan zeolit alam. Rumus struktural unit satuan zeolit dapat diwakili oleh:

( ) ( )/ 2 2 2x n x yM Al0 Si0 zH 0

M dapat berupa kation seperti Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4+, logam

transisi seperti Ti dan V, dan tanah jarang. Sementara itu, x dan y adalah bilangan bulat, dan y/x ≥1. n adalah valensi kation, dan z adalah jumlah molekul air pada setiap unit satuan (Yang, 2003). Setiap atom aluminium memiliki muatan negatif dalam setiap kerangka zeolit, dan dapat digantikan oleh penukar kation. Lokasi kation pada kerangka menentukan sifat adsorptif zeolit. Zeolit yang


kaya aluminium memiliki sifat hidrofilik karena muatan negatif pada atom alumuniumnya. Pada rasio Si/Al tinggi, zeolit memiliki silikon tinggi dengan kandungan aluminium rendah sehingga muatan zeolit dapat menjadi lebih rendah dengan kation yang lebih sedikit. Pori-pori zeolit akan lebih hidrofobik, artinya pori-pori lebih tidak suka dengan air atau cenderung kering. Rasio Si/Al yang tinggi menyebabkan zeolit memiliki lebih banyak pusat aktif dengan keasaman tinggi. Transisi dari hidrofilik menjadi hidrofobik terjadi pada rasio Si/Al antara 8 dan 10 (Ruthven, 1984). Dengan demikian, zeolit yang memiliki sifat adsorptif spesifik disiapkan dengan pemilihan rasio Si/Al dan tipe kation yang tepat.

IUPAC mendefinisikan zeolit sebagai bagian dari mate-rial mikroporous atau mesopori yang mengandung rongga yang disusun secara teratur dan dengan volume bebas yang lebih besar dari bola berdiameter 0,25 nm. Komisi struktur dari asosiasi zeolit internasional menggunakan kriteria kerapatan kerangka (atom T per 1.000 Å) dengan kerapatan kerangka maksimum untuk zeolit mulai dari 19 hingga 21. Cincin n (di mana n adalah jumlah atom T dalam cincin) yang mendefinisikan wajah polyhedral yang dibangun secara lengkap disebut windows atau pori-pori. Polyhedra yang wajahnya tidak lebih besar dari enam cincin disebut cages, karena wajahnya terlalu sempit untuk melewati molekul yang lebih besar dari H2O. polyhedra dengan setidaknya satu wajah lebih besar dari enam cincin disebut rongga (cavities). Pori-pori yang diperpanjang secara tak terbatas dalam satu dimensi dan cukup besar untuk memungkinkan difusi spesies tamu (misal lebih besar dari enam cincin) disebut saluran (channels). Jenis kerangka kerja dapat berisi saluran satu, dua, atau tiga dimensi. Kerangka zeolit memiliki struktur cage yang sangat teratur dan saling terhubung oleh window di setiap cage. Ukuran window tergantung pada jumlah tetrahedra dalam cincin serta jenis dan jumlah kation yang ada.


Tipe zeolit komersial adalah A, X, Y, beta, ZSM-5, mordenit, dan Silicalite. Zeolit tipe A dan X dapat secara selektif digunakan se-bagai penyerap molekul (saringan) tergantung ukuran relatif dan diameter pori adsorben. Oleh karena itu, kedua tipe ini disebut moleculer sieve (Kulprathipanja, 2010). Tabel 7.2 menunjukkan karakteristik beberapa tipe zeolit komersial.

Zeolit biasanya diproduksi oleh sintesis hidrotermal natrium aluminosilikat dari natrium hidroksida, natrium silikat, dan natrium aluminat. Hal ini diikuti oleh pertukaran ion dengan kation dan pengeringan kristal, kemudian digabungkan mengguna kan agen pengikat untuk membentuk pellet makroporous. Dengan mengen-dalikan pH, suhu, dan konsentrasi, berbagai jenis zeolit dapat dihasilkan (Breck dkk., 1956; Szostak, 1998; Occelli & Robson, 1989; Davis & Lobo, 1992). Chal, Gerardin, Bulut, dan van Donk (2011) membahas berbagai strategi sintesis terhadap zeolit dengan mesopori.

Tabel 7.2 Karakteristik Zeolit Komersial

Tipe zeolite Tipe kation Diameter pori nominal (Å)

Jumlah tetrahedra

dalam cincin

Perbandingan Si/Al

3A K 3 8 14A Na 4 8 15A Ca 5 8 110X Ca 8 12 1,213X Na 10 12 1,2

Y K 8 12 2,4Modernite H 7 12 5

ZSM – 5 Na 6 10 31Silicalite - 6 10 ̴

Sumber: Ramaswamy dkk. (2013)


c. Adsorben Material Polimer dan KompositResin polimerik tergolong sebagai partikel polimer makropori atau makroretikular. Beberapa resin polimerik telah diproduksi secara komersial yang mana sebagian besar resin komersial untuk material adsorben dibuat dari kopolimer stirena/divinilbenzena (DVB), resin polimer yang lainnya seperti polimer akrilat, metakrilat, dan vinilpiridina. Bagian dari resin polimer yang memiliki fungsi penting adalah bagian gugus fungsi, seperti gugus sulfonil yang me-lekat pada cincin benzen pada resin polimer dimanfaatkan sebagai resin penukar ion. Resin polimer umumnya tersedia dalam bentuk bulir-bulir bulat kecil (bead) dengan ukuran diameter berkisar 0,3–1 mm yang disebut dengan resin bead. Setiap resin bead ter-diri atas sejumlah microbeads kecil yang bergabung membentuk struktur makropori atau polimer. Microbeads terbuat dari partikel microgel yang memiliki ukuran 0,01–15 μm. Struktur mikropori dari microbeads ditentukan oleh tingkat ikatan silang (crosslink) yang dimilikinya. Tingkat ikatan silang yang tinggi akan mening-katkan luas permukaan dan kekuatan struktur dari resin polimer. Resin polimer lebih bersifat hidrofilik dibandingkan karbon aktif karena adanya cincin aromatik di permukaannya. Sifat-sifat dari beberapa resin komersial dapat dilihat pada Tabel 7.3 (Albright, 1986). Beberapa kelebihan penggunaan adsorben resin polimer adalah stabilitas fase yang lebih besar (secara fisika, kimia, dan biologi), biokompatibilitas yang tinggi, immiscibility sempurna dengan medium adsorbat, eliminasi emulsifikasi, dan peningkat an potensi untuk digunakan kembali (recovery). Namun, ada bebe-rapa kelemahan, misalnya resin polimer cenderung mengecil dan membengkak (swelling) pada penggunaan siklus berulang dan lebih mahal daripada adsorben umum yang tersedia (Rehmann, Sun, & Daugulis, 2007).


Tabel 7.3. Sifat-Sifat dari Adsorben Polimer Komersial

Nama Dagang Nama Kimia

Fungsionalisasi

ionik

Nominal diameter pori (Å)

Luas permu

kaan spesifik (m2.g1)

Supplier

Dowex® Optipore L-493

Poly (stiren-co-DVB)

Tidak ada 46 1100 Dow

Dowex® Optipore SD-2

Poly (stiren- co-DVB)

Amina tersier (basa

lemah)

50 800 Dow

Diaion-HP20 Poly (stiren- co-DVB)

Tidak ada 260 500 Mitsubishi Chemicals

Diaion-HP-2MG Polymetakrilat Tidak ada - 500 Mitsubishi Chemicals

AmberliteTM XAD-4


Tidak ada 100 750 Rohm and Haas

AmberliteTM XAD-16N


Tidak ada 150 800 Rohm and Haas

AmberliteTM XE-563

Carbonaceous - 38 550 Rohm and Haas

Purolite®PD 206 Poly (stiren- co-DVB)

Asam sulfonat

- - Purolite

Sumber: Venkatessan (2012)

C. Teknologi Proses Pemurnian Bioetanol G2 di Pusat Penelitian Kimia LIPI

Pusat Penelitian Kimia LIPI sejak tahun 2009/2010 telah melaku kan kerja sama penelitian dengan Korea Selatan di bidang pengem-bangan bioetanol generasi 2 yang berbahan baku lignoselulosa me-lalui Korea International Cooperation Agency (KOICA). Tahapan berikutnya adalah pengembangan produksi bioetanol G2 tersebut ke dalam skala pilot, dengan penempatan pilot plant bioetanol G2 di Pusat Penelitian Kimia LIPI, Serpong, sebagai hibah.


Proses produksi bioetanol berbasis lignoselulosa di Pilot Plant Bioetanol Pusat Penelitian Kimia LIPI dibagi menjadi tiga bagian. Pertama, distilasi sederhana (kolom mash stripper) untuk memurni-kan brooth dari konsentrasi 5% berat menjadi 75%. Kedua, distilasi tahap kedua (kolom rektifikasi) untuk meningkatkan konsentrasi bioetanol dari 75% menjadi 93–94%. Ketiga, proses dehidrasi, yakni umpan pada konsentrasi 93–94% dimurnikan hingga konsentrasi fuel grade pada kolom dehidrasi melalui proses pressure swing adsorption. Secara umum, diagram alir proses pemurnian bioetanol G2 dapat dilihat pada Gambar 7.3.

Dalam publikasinya, Kim dkk. (2010) menyampaikan bahwa proses pemurnian awal menggunakan distilasi konvensional mem-butuhkan konsumsi energi tinggi untuk dehidrasi etanol. Sementara

Sumber: Buku Manual Pilot Plant Bioetanol, Pusat Penelitian Kimia LIPI (2011)

Gambar 7.3. Diagram Alir Unit Distilasi dan Dehidrasi Pemurnian Bioetanol G2 Skala Pilot di Pusat Penelitian Kimia LIPI


Tabel 7.4 Spesifikasi Pilot Plant pada Proses Dehidrasi Bioetanol Menggunakan Saringan Molekuler

Parameter Performa Yield recovery bioethanol (%) 100%Konsentrasi bioetanol hasil dehidrasi (%) >99,5%Kemampuan produksi (kL/hari) 2 kL/hariKonsumsi energi 0,0065 kW.h

0,28 kg steamBiaya modal (USD) 1,5 x 105

Sumber: Kim dkk. (2010)

itu, beberapa proses dehidrasi baru telah dipelajari. Sebagai contoh, pilot plant dengan menggunakan saringan molekuler (molecular sieve) untuk proses dehidrasi etanol berhasil dioperasikan dengan spesifikasi seperti pada Tabel 7.4.

Studi proses dehidrasi bioetanol G2 dilakukan menggunakan zeolit alam yang telah menerima perlakuan awal. Perlakuan awal menggunakan asam kuat HCl dengan tujuan dealuminasi atau menurunkan kadar alumina pada zeolite supaya lebih hidrofilik. Kemudian, dilakukan proses kalsinasi. Zeolit yang telah menerima perlakuan awal dicetak dalam bentuk granular dengan diameter tertentu. Zeolit granular kemudian ditempatkan dalam salah satu kolom dari bagian kolom distilasi. Proses pemurnian bioetanol dilakukan pada temperatur uapnya dan air diserap dalam kondisi uap ke dalam zeolit tersebut. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kemurnian bioetanol yang dihasilkan menyamai zeolit komersial (>99%), tetapi yield diperoleh masih rendah (Wahono, Hernawan, Kristiani, Tursiloadi, & Abimanyu, 2014).

Laksmono, dkk. (2017) melakukan penelitian mengenai per-lakuan awal menggunakan material komposit polivinil alkohol/zeolit/karbon sebagai adsorben dalam proses dehidrasi bioetanol. Perlakuan awal dilakukan dengan mencampurkan ketiga komponen


tersebut, kemudian diikat dalam proses crosslinking menggunakan crosslinker senyawa aldehida. Untuk mendapatkan porositas dan luas permukaan yang baik, dilakukan rekayasa proses perlakuan awal dengan menggunakan teknologi ekstraksi fluida superkritis. Hasil menunjukkan bahwa adsorben komposit tersebut memiliki potensi yang sangat baik terhadap proses dehidrasi bioetanol dengan tingkat kemurnian di atas 99,5% (Laksmono, Sudibandriyo, Saputra, Haryono, 2017). Selain itu, penelitian kapasitas adsorpsi masing-masing komponen (zeolit, karbon aktif, dan polivinil alko-hol) dilakukan untuk melihat efektivitas kinerja ketiga material tersebut—yang diaplikasikan sebagai adsorben pada proses dehid-ra si etanol. Hasil penelitian menunjukkan bahwa urutan kapasitas adsorpsi yang terbesar hingga terkecil adalah karbon aktif > zeolit > polivinil alkohol.

Sementara itu, dari kajian selektivitas didapatkan fakta bahwa material zeolit lebih selektif terhadap air dibandingkan karbon aktif dan polivinil alkohol (Laksmono, Pangesti, Sudibandriyo, Haryono & Saputra, 2018). Studi terhadap kinetika adsorpsi komponen po-livinil alkohol, zeolit, dan karbon aktif dilakukan untuk mendapat-kan gambaran profil kecepatan adsorpsi masing-masing adsorben tersebut pada proses dehidrasi bioetanol. Hasil studi menunjukkan bahwa karbon aktif memiliki kecepatan adsorpsi yang relatif lebih cepat dibandingkan adsorben lainnya. Hal ini mengacu pada sifat fisis karbon aktif, yakni memiliki luas permukaan dan volume pori yang lebih besar dibandingkan kedua adsorben lainnya. Dalam hal selektivitas, dari hasil uji kinetika adsorpsi, ditemukan fakta memiliki selektivitas yang lebih baik dibandingkan karbon aktif dan polivinil alkohol walaupun kecepatan adsorpsinya lebih rendah dibandingkan karbon aktif (Laksmono, Pratiwi, Sudibandriyo, Haryono & Saputra, 2017).


1. Adsorpsi-DesorpsiProses adsorpsi-desorpsi diperlukan untuk mengetahui umur pakai adsorben selama proses pemurnian bioetanol yang tentunya sangat berpengaruh terhadap efisiensi pemisahan/pemurnian dan biaya produksi. Pada pilot plant bioetanol di Pusat Penelitian Kimia LIPI, proses pemurnian bioetanol untuk mencapai fuel grade (>99,5%) menggunakan system adsorpsi dengan molecular sieve sebagai adsorbennya, dilanjutkan dengan proses desorpsi. Proses adsorpsi-desorpsi dalam pilot plant bioetanol Pusat Penelitian Kimia LIPI menggunakan metode Pressure Swing Adsorption (PSA). Proses adsorpsi-desorpsi terdiri atas beberapa metode yang dapat dilihat pada Tabel 7.5.

Tabel 7.5 Beberapa Metode pada Proses Adsorpsi-Desorpsi

Metode Kelebihan KekuranganTSA Baik untuk adsorbat dengan

kapasitas adsorpsi yang tinggi; desorbat dapat di-recovery pada konsentrasi tinggi. Adsorpsi dapat dilakukan pada fase gas dan cairan.

Pengeringan adsorben secara termal. Membutuhkan panas untuk proses adsorpsi fase gas. Tidak dapat di-recycle cepat sehingga adsorben tidak dapat digunakan dengan efisiensi maksimum. Dalam sistem adsorpsi fase cair, TSA memerlukan panas laten yang tinggi

PSA Baik digunakan untuk adsorbat yang teradsorpsi lemah dan diperlukan dalam kemurnian tinggi.

diperlukan tekanan vakum.Membutuhkan energi mekanik yang lebih tinggi.

Inert Purge Proses adsorpsi yang cepat dan efisien untuk suatu siklus. Operasi pada suhu dan tekanan konstan.

Desorbat di-recovery pada kemurnian rendah. Diperlukan volume pembersihan besar.

Displacement desorption

Baik untuk adsorbat tertentu. Menghindari risiko reaksi cracking selama regenerasi. Menghindari thermal aging dari adsorben.

Pemisahan dan recovery produk diperlukan. Pemilihan desorben sangat penting.

Sumber: Venkatessan (2012)


Sumber: Vazquez-Ojeda, Segovia-Hernandez, Hernandez, Hernandez, dan Kiss (2013)

Gambar 7.4 Diagram Alir Proses Dehidrasi Etanol Menggunakan Teknologi PSA

Diagram alir proses adsorpsi-desorpsi metode Pressure Swing Adsorption pada Pilot Plant Bioetanol Pusat Penelitian Kimia LIPI dapat dilihat pada Gambar 7.4.

Siklus PSA secara umum meliputi langkah produksi ketika uap mengalir dari atas ke kolom dengan tekanan tinggi; air diserap oleh adsorben, sedangkan uap etanol melewati kolom dan dikumpulkan sebagai produk tekanan tinggi di bagian bawah unggun. Setelah langkah produksi, unggun harus diregenerasi dan siap untuk siklus berikutnya dengan langkah sebagai berikut.1) Tekanan pada unggun dikurangi (depressurization), sementara

molekul air diserap.


2) Air diserap dari unggun pada kondisi tekanan vakum. Menje-lang akhir langkah regenerasi, sebagian dari gas produk (>99,5% etanol) digunakan untuk membersihkan kolom dengan tujuan menghilangkan air yang telah terserap selama tahap produksi.

3) Kolom kembali bertekanan dengan produk uap etanol dari kolom yang beroperasi. Pada tahap ini, unggun adsorben telah menyelesaikan siklus pressure swing dan siap untuk memasuki langkah produksi baru (Gomis dkk, 2005).

D. KesimpulanProses pemurnian dan dehidrasi pada produksi bioetanol berbasis lignoselulosa memiliki peran yang sangat penting. Selain sebagai unit operasi untuk memproduksi bioetanol fuel grade, proses terse-but juga mengontrol efisiensi penggunaan energi pada saat proses produksi bioetanol berbasis lignoselulosa. Tingkat penggunaan energi paling tinggi dari rangkaian proses produksi bioetanol ada pada segmen unit pemurnian dan dehidrasi. Oleh karena itu, para peneliti, praktisi, dan engineer diharapkan selalu memberikan inovasi demi efisiensi penggunaan energi pada unit pemurnian dan dehidrasi. Sebagai contoh, melakukan proses hybrid untuk sistem pemurnian dan dehidrasi.

Proses dehidrasi menggunakan adsorpsi telah mengurangi penggunaan energi hingga menjadi efisien. Namun, proses distilasi pada proses pemurnian dari konsentrasi 5–10% menjadi 75%, di-lanjutkan dengan distilasi tahap kedua untuk menaikkan konsen-trasi menjadi 95% yang memerlukan energi yang besar. Oleh sebab itu, salah satu kolom distilasi harus digabungkan dengan sistem adsorpsi menjadi teknologi hybrid adsorptive-distilasi. Sistem ini menggunakan molecular sieve sebagai adsorben. Teknologi hybrid ini berpengaruh secara langsung terhadap efisiensi penggunaan energi.


Pusat Penelitian Kimia LIPI memiliki sebuah pilot plant pro-duksi bioetanol berbasis lignoselulosa. Sistem pemurnian dan de hidrasinya menggunakan teknologi distilasi dan adsorpsi dengan molecular sieve sebagai adsorbennya, sedangkan sistem recovery menggunakan teknologi pressure swing adsorption. Untuk mening-katkan efisiensi energi, perlu dilakukan kajian secara mendalam mengenai pemanfaatan teknologi hybrid adsorptive-distilasi.

Daftar PustakaAbildskov, J., & O’Connell, J. P. (2015). Responses of azeotropes and relative

volatilities to pressure variations. Chemical Engineering Research and Design, 99, 97–110.

Aditiya, H. B., Mahlia, T. M. I., Chong, W. T., Nur, H., & Sebayang, A. H. (2016). Second generation bioethanol production: A critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 66, 631–653.

Albright, R. L. (1986). Porous polymers as an anchor for catalysis. Reactive Polymer, 4, 155–174.

Arlt, M., Seiler, M., Jork, C., & Schneider, T. (2001). Extractive distillation with ionic liquid. DE Patent No. 10114734.

Atadashi, I., Aroua, M. K. & Aziz A. A. (2011). Biodiesel separation and purification: A review. Renewable Energy, 36, 437–443.

Breck, D. W., Eversole, W. G., Milton, R. M., Read, T. B., & Thomas T. L. (1956). Crystalline zeolites. The propertiesof a new synthetic zeolite Type A. Journal of American Chemical Society, 78, 5963–5971.

Chal, R., Gerardin, C., Bulut, M., & van Donk, S. (2011). Overview and industrial assessment of synthesis strategies towards zeolites with mesopores. Chemical Catalysis Chemistry, 3, 67–81.

Cook, R. A., & Furter W. F. (1968). Extractive distillation employing a dissolved salt as separating agent. Canadian Journal of Chemical Engineering, 46, 119–123.

Crawshaw, J. P. & Hills, J. H. (1990). Sorption of ethanol and water by starchy materials. Industrial Engineering Chemical Research, 29, 307–309.

Dabrowski, A. (2001). Adsorption-from theory to practice. Advanced Colloid Interface Sciences, 93, 135–224.


Davis, M. E., & Lobo, R. F. (1992). Zeolite and molecular sieve synthesis, Chemistry Material, 4, 756–768.

Furter, W. F. (1992). Extractive distillation by salt effect. Chemical Engineering Communication, 116, 35–40.

Gomis, V., Font, A., Pedraza, R., Saquete, M. D. (2005). Isobaric vapor-liquid & vapor-liquid-liquid equilibrium data for the system water +ethanol + cyclohexane. Fluid Phase Equilibria, 235, 7–10.

Grethlein, H. E., & Lynd, L. R. (1990). Distillation process for ethanol. US Patent 4,961,826, 9 Oktober 1990.

Griend, V., & Lee, D. (2007). Ethanol distillation process. US Patent 7,297,236, 20 November 2007.

Hansen A. C., Zhan Q., & Lyne P. W. L. (2005). Ethanol diesel fuel blends—a review. Bioresource Technology, 96 (2), 77–85.

Huang, H. J., Ramaswamy, S., Tschirner U. W., & Ramarao, B. V. (2008). A review of separation technologies in current and future biorefineries. Separation and Purification Technology, 62, 1–21.

Kim, J. S., Park, S. C., Kim, J. W., Park, J. C., Park, S. M., & Lee, J. S. (2010). Production of bioethanol from lignocellulose: Status and perspectives in Korea. Bioresource Technology, 101, 4801–4805.

Kiss, A. A., & Suszwalak, D. J-.P. C. (2012). Enhanced bioethanol dehydration by extractive and azeotropic distillation in dividing wall column. Separation and Purification Technology, 86, 70–78.

Kovach, III J. W., & Seider W. D. (1987). Heterogenous azeotropic distilla tion homotopy-continuation methods. Computation Chemical Engineering, 11 (6), 593–605.

Kumar, S., Singh, N., & Prasad, R. (2010). Anhydrous ethanol: A renewable source of energy. Renewable Sustainable Energy Reverse, 14, 1830–44.

Ladisch, M. R. & Dyck, K. (1979). Dehydration of ethanol: New approach gives positive energy balance. Science, 205, 898–900.

Ladd, M. (1994). Chemical bonding in solids and fluids. Great Britain: Ellis Horwood Limited.

Laksmono, J. A., Pangesti, U. A., Sudibandriyo, M., Haryono, A., & Saputra, A.H. (2018). Adsorption capacity study of ethanol-water mixture for zeolite, activated carbon and polyvinyl alcohol. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 105(1) 012025.


Laksmono, J. A., Pratiwi, I. M., Sudibandriyo, M., Haryono, A., & Saputra, A. H. (2017). Kinetics studies of adsorption in the bioethanol dehydration using polyvinyl alcohol, zeolite and activated carbon as adsorbent. AIP Conference Proceedings, 1904(1), 020076.

Laksmono, J. A., Sudibandriyo, M., Saputra, A. H., & Haryono, A. (2017). Development of porous structured polyvinyl alcohol/zeolite/carbon composites as adsorbent. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 201(1), 012006.

Lei, Z., Chen, B., & Ding, Z. (2005). Special distillation processes. Amsterdam: Elsevier.

Lei, Z., Li, C., & Chen, B. (2003). Extractive distillation: A review. Separation Purification Reverse, 32, 212–213.

Lei, Z., Wang, H., Zhou, R., & Duan, Z. (2002). Influence of salt added to solvent on extractive distillation. Chemical Engineering Journal, 87, 149–156.

Lei, Z., Zhou, R., & Duan, Z. (2002). Process improvement on separating C4 by extractive distillation. Chemical Engineering Journal, 85, 379–386.

Luyben W. L. (2006). Control of multilimit heterogeneous azeotropic distillation process. AIChE Journal, 52 (2), 623–637.

Lynd, L. R., & Grethlein H. E. (1984). IHOSR/Extractive distillation for ethanol separation. Chemical Engineering Progress, 80, 59–62.

Maity, S. K. (2015). Opportunities, recent trends, and challenges of integrated biorefinery: Part II. Renewable and Sustainable Energy Review, 43, 1446–1466.

Nguyen, N., & Demirel, Y. (2010). Retrofit of distillation columns in biodiesel production plants. Energy, 35, 1625–1632.

Occelli, M. L., & Robson, H. E. (1989). Zeolite synthesis. ACS symposium series, American Chemical Society.

Otero, M., Zabkova, M., & Rodrigues, A. E. (2005). Comparative study of the adsorption of phenol and salicylic acid from aqueous solution onto non-ionic polymeric resins. Separation and Purification Technology, 45, 86–95.

Ramaswamy, S., Huang, H. J., & Ramarao, B. V. (2013). Separation and purification technologies in biorefinery. United Kingdom: John Wiley & Sons, Ltd., Publication.


Rehmann, L., Sun, B., & Daugulis, A. J. (2007). Polymer selection for biphenyl degradation in a solid-liquid two-phase partitioning bioreactor. Biotechnology Programme, 23, 814–819.

Ruthven, D. M. (1984). Principles of adsorption & adsorption processes. New York: John Wiley & Sons, Inc.

Wahono, S. K., Hernawan, Kristiani, A., Tursiloadi, S., & Abimanyu, H. (2014). Characterization and utilization of Gunungkidul natural zeolite for bioethanol dehydration. Energy Procedia, 47, 263–267.

Seiler, M., Jork, C., Kavarnou, A., Arlt, W., & Hirsch, R. (2004). Separation of azeotropic mixtures using hyperbranch polymer or ionic liquids. AI.Che. Journal, 50(10), 2439–2454.

Szostak, R. (1998). Molecular sieves, 2nd ed. New York: Blackie Academic & Professional.

Treybal, R. (1980). Mass-transfer operations. 3rd ed. Singapore: Mcgraw-Hill Book Co.

Vazquez-Ojeda, M., Segovia-Hernandez, J. G., Hernandez, S., Hernandez, A. A., & Kiss, A. A (2013). Design and optimization of an ethanol dehydration process using stochastic methods. Separation and Purification Technology, 105, 90–97.

Venkatessan, S. (2012). Separation and purification technologies in bio-refineries: Affinity-based separation technologies. United Kingdom: John Wiley & Sons Ltd. Publication.

Yang, R. T. (1987). Gas separation by adsorption processes. USA: Butterworth Publisher.

Yang, R. T. (2003). Adsorbents: Fundamentals and applications. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.

Yang, Y., Boots, K., & Zhang. (2012). A sustainable ethanol distillation system. Sustainability, 4, 92–105.

217

8PEMANFAATAN SISA PROSES

PRODUKSI BIOETANOL GENERASI DUA

Ajeng Arum Sari, Ary Mauliva Hada Puteri, Dieni Mansur, Dian Burhani, dan Muryanto

A. Pengolahan dan Pemanfaatan LimbahLimbah merupakan buangan yang berasal dari aktivitas industri, rumah tangga, pasar, dan perkantoran yang tidak memiliki nilai ekonomi. Berdasarkan wujudnya, limbah dibagi menjadi tiga bentuk, yaitu limbah padat, cair, dan gas. Limbah industri yang berasal dari hasil samping proses perindustrian menjadi berbahaya bagi lingkungan hidup dan manusia apabila jumlahnya melampaui daya asimilasi lingkungan dan pengolahannya tidak tepat.

Selain diolah, limbah juga dapat dikurangi dengan cara pe-manfaatan ulang dan daur ulang limbah. Daur ulang merupakan proses penggunaan kembali material atau barang yang sudah tidak dipergunakan, menjadi produk lain. Sementara itu, pemanfaatan ulang adalah penggunaan langsung tanpa melalui proses daur ulang. Pemanfaatan ulang dan daur ulang limbah memiliki bebe-rapa tujuan, yaitu (1) mengurangi jumlah limbah yang berpotensi mencemari lingkungan; (2) mengurangi penggunaan bahan baku yang baru; (3) mengurangi penggunaan energi dan sumber daya


alam; (4) mengurangi polusi, kerusakan alam, dan emisi gas rumah kaca; serta (5) memperoleh nilai tambah dari proses pengolahan limbah.

Pemanfaatan limbah merupakan bagian dari konsep zero waste. Industri yang menerapkan konsep zero waste artinya telah melakukan proses produksi ramah lingkungan, yakni melakukan strategi mencegah, mengurangi, dan menghilangkan terbentuknya limbah bahan pencemar lingkungan. Hal tersebut dapat berjalan apabila dilakukan perancangan yang ramah lingkungan, mulai dari bahan baku, teknologi proses, sampai dengan akhir kegiatan produksi. Salah satu upaya pencegahan limbah yang terkait dengan green chemistry adalah tidak menggunakan zat berbahaya. Termi-nologi green chemistry menyebutkan bahwa desain proses dan pro duk kimia yang menerapkan sistem ini harus mengurangi atau menghilangkan penggunaan zat berbahaya.

Sebagai sumber energi terbarukan, bioetanol dalam pembuatan-nya menghasilkan limbah. Limbah yang terbentuk dari pembuatan bioetanol didapatkan dari proses perlakuan awal dan proses fer-mentasi-distilasi. Limbah dari proses perlakuan awal disebut lindi hitam; sementara limbah dari proses fermentasi-distilasi disebut sisa fermentasi. Limbah tersebut bisa berbentuk campuran antara cairan dan padatan atau gas CO2. Limbah bioetanol yang tidak diolah berpotensi mencemari lingkungan karena mengandung se nyawa organik yang akan mengalami proses penguraian oleh mikro organisme sehingga menyebabkan pembusukan. Oleh karena itu, cara pengolahan limbah bioetanol perlu untuk diketahui. Selain itu, potensi pemanfaatan limbah bioetanol untuk dijadikan kimia adi pun penting untuk dikaji.

Bab ini membahas cara perolehan dan pengolahan sisa proses produksi bioetanol generasi dua yang berupa lindi hitam dan sisa proses fermentasi-distilasi. Kemudian, dibahas pula potensi pe-

Pemanfaatan Sisa Proses ... 219

Gambar 8.1 Proses Pengolahan dan Pemanfaatan Limbah Bioetanol Menjadi Kimia Adi

manfaatan sisa proses tersebut menjadi kimia adi berupa adsorben, senyawa fenol, lignin, flame retardant, glutation, dan kimia adi lainnya (Gambar 8.1).

1. Limbah Proses BioetanolLimbah utama yang dihasilkan dalam proses produksi bioetanol generasi dua adalah lindi hitam (dari proses perlakuan awal) dan limbah sisa fermentasi-distilasi. Perlakuan awal pembuatan bio-etanol dari tandan kosong sawit (TKS) di Pusat Penelitian Kimia (P2Kimia) LIPI menggunakan metode kimia alkali NaOH untuk memutuskan ikatan lignoselulosa. Proses selanjutnya adalah sa-karafikasi, fermentasi, dan distilasi. Selain menghasilkan bioetanol, proses ini menghasilkan produk samping berupa sisa ragi Saccha-romyces cerevisiae dan silosa yang tidak terfermentasi, yang disebut sisa fermentasi-distilasi. Selain itu, dihasilkan juga CO2. Gambar 8.2 menunjukkan diagram proses pembuatan bioetanol G2.


Gambar 8.2 Skema Proses Produksi Bioetanol dan Limbah yang Dihasilkannya

Proses perlakuan awal dengan NaOH 10% untuk TKS sebanyak 600 kg menghasilkan air limbah berupa lindi hitam sebanyak 3.000 liter dan uap air (Sari, Ibadurrahman, dkk., 2017). Secara umum, lindi hitam terdiri atas organik 40%, lignin 25%, hemiselulosa 7,5%, asam organik 7,5%, dan anorganik seperti NaOH 20% (Irfan dkk., 2017). Proses selanjutnya, yakni fermentasi-distilasi, membutuhkan 300 liter media, 30 kg glukosa, dan 1 kg ragi. Proses ini meng-hasilkan produk samping berupa 3 kg sisa ragi dan 282 liter sisa distilasi. Adapun bioetanol yang dihasilkan dari proses ini sebesar 76,46 kg dengan kemurnian 99,5%. Tabel 8.1 menjelaskan neraca massa pembuatan bioetanol G2.

Tabel 8.1 Karakteristik Air Limbah Proses Pembuatan Bioetanol dari TKS

Unit proses Input Output air limbah Kandungan Referensi

Perlakuan awal

600 kg TKS 3 m3 lindi hitam

Lignin 55,33% (Sari dkk., 2017).

Fermentasi-distilasi

300 liter media30 kg glukosa, 1 kg ragi

282 liter sisa distilasi

3 kg sisa ragi


Masalah pengelolaan limbah bioetanol, baik pengolahan mau-pun pemanfaatan, perlu mendapatkan perhatian yang serius guna mengantisipasi masalah limbah bioetanol pada masa mendatang. Pengelolaan limbah yang kurang tepat dapat menelan biaya yang tidak sedikit dan merusak lingkungan. Oleh karena itu, limbah bioetanol wajib diolah untuk menjaga nilai lingkungan. Dilihat dari aspek ekonomi, pengolahan limbah bioetanol akan mengeluarkan biaya. Namun, limbah tersebut dapat dimanfaatkan menjadi kimia adi, seperti adsorben, lignin murni, fenol, flame retardant, dan glutation sehingga mendatangkan nilai tambah (Gambar 8.1). Hal ini disebut nilai ekonomi. Contoh pemanfaatan limbah datang dari penelitian (Maas dkk., 2008) yang memisahkan limbah distilasi bioetanol dari jerami gandum menjadi dua bagian, yakni limbah cair dan limbah padat. Limbah cair diolah kembali menjadi bahan baku produksi gas metan dengan proses biodegradasi anaerob.

B. Proses Pengolahan dan Pemanfaatan Limbah Lindi Hitam

Lindi hitam dihasilkan dari proses perlakuan awal pada proses produksi bioetanol dari tandan kosong sawit (TKS) di Pusat Pene litian Kimia (P2 Kimia) LIPI. Proses perlakuan awal tersebut menggunakan metode kimia alkali NaOH untuk memutuskan ikatan lignoselulosa. Perbandingan penggunaan TKS dan lindi hitam yang dihasilkan adalah 1:5 (berat/volume).

1. Pengolahan Lindi Hitam Menurut Sjostrom (1995), lindi hitam mengandung campuran komponen organik dengan struktur dan susunan yang sangat kom-pleks. Warna hitam pada lindi hitam mengindikasikan terlarutnya senyawa-senyawa yang memiliki gugus kromofor dan ausokrom yang terdapat pada lignin (Hanifah, Saefumillah, & Sari, 2017).


Polimer lignin disusun oleh unit-unit fenil propana, yaitu p-kumaril alkohol, koniferil alkohol, dan sinapil alkohol.

Lindi hitam mengandung komponen organik yang tinggi sehingga dapat mengganggu organisme perairan, seperti daphnia, ikan, dan plankton, jika dibuang langsung ke perairan (Hewitt, Parrott, & McMaster, 2006; Kovacs, Martel, & Voss, 2002). Karak-teristik lindi hitam di pilot plant bioetanol P2 Kimia LIPI dapat dilihat pada Tabel 8.2. Tabel ini juga memuat tentang parameter baku mutu air limbah usaha dan atau kegiatan industri minyak sawit berdasarkan Peraturan Menteri Lingkungan Hidup Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2014 tentang Baku Mutu Air Limbah.

Tabel 8.2 Karakteristik Lindi Hitam Pilot Plant Bioetanol P2 Kimia LIPI

No. Parameter Nilai Baku

Mutu Keterangan

1. pH 13,09 6–9 Baku mutu di kegiatan industri minyak sawit

2. TSS 36.550 250 ppm Baku mutu di kegiatan industri minyak sawit

3. Warna Hitam mengilap

Tidak berwarna

Tidak diatur dalam Permen LH RI No. 5 Tahun 2014. Kualitas air tidak berwarna merupakan persyaratan dalam Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia No. 173/Men.Kes/Per/VII/1977

4. Bau Menye-ngat

Tidak berbau

Tidak diatur dalam Permen LH RI No. 5 Tahun 2014. Kualitas air tidak berbau diatur di Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia No. 173/Men.Kes/Per/VII/1977

5. COD 145.000 350 ppm Baku mutu di kegiatan industri minyak sawit atau pulp dan kertas

Sumber: Burhani, Winarni, dan Sari (2017)

Tabel 8.2 memperlihatkan bahwa konsentrasi COD dan TSS lindi hitam jauh melebihi baku mutu yang diizinkan. Chemical oxygen demand (COD) adalah kebutuhan oksigen dalam proses


oksidasi secara kimia yang dapat dioksidasi menggunakan dikromat dalam larutan asam. Angka COD merupakan nilai pencemaran air oleh zat-zat organik yang secara ilmiah dapat dioksidasikan dan mengakibatkan berkurangnya oksigen terlarut dalam air (Alaerts & Santika, 1987). Total suspended solids (TSS) atau padatan tersus-pensi total merupakan berat zat padat dalam air yang tertahan pada penyaringan dengan menggunakan kertas saring berdiameter 0,45 µm dan telah dikeringkan pada suhu 103–105 °C (Effendi, 2003). Oleh karena itu, diperlukan suatu pengolahan sehingga nilai COD dan TSS dapat berkurang. Berbagai teknologi, baik secara fisika, kimia, maupun biologi, dilakukan untuk mengolah lindi hitam sebagai berikut.

a. Koagulasi-FlokulasiKoagulasi merupakan proses destabilisasi partikel koloid dengan cara penambahan senyawa kimia yang disebut koagulan. Flokulasi adalah proses berkumpulnya partikel-partikel flok mikro mem-bentuk aglomerasi besar melalui pengadukan atau pengikatan oleh flokulan. Melalui proses koagulasi-flokulasi, partikel-partikel koloid bersatu dan menjadi besar sehingga mudah dipisahkan melalui sedimentasi atau filtrasi. Keefektifan proses ini ditentukan oleh tipe dan jumlah koagulan-flokulan yang digunakan, karakteristik air baku, tipe pengaduk, dan variasi aliran (Kawamura, 1991). Koagulan yang umum digunakan adalah aluminium sulfat (alum), ammonia alum, sodium aluminat, ferrous sulfat, ferri klorida, dan poly aluminum chloride (PAC).

Pengolahan lindi hitam menggunakan metode koagulasi-flokulasi telah dilakukan oleh Burhani dkk. (2017). Koagulan dan flokulan yang digunakan adalah tawas, PAC, polyacrylamide cati-onic (PAM C), dan polyacrylamide anionic (PAM A). Hasil terbaik optimasi proses koagulasi dan flokulasi untuk pengolahan limbah


Tabel 8.3 Hasil Optimasi Koagulasi dan Flokulasi Lindi Hitam

KombinasiDosis

koagulan (g/l)

Dosis flokulan

(g/l)

pH lindi hitam pH akhir

Penurunan

TSS (%)

Dekolor isasi (%)

Tawas dan PAM A 2,5 1,5 5,5 5,24 91,12 95,27PAC dan Tawas 2,5 1,5 5,5 5,11 96,91 98,26PAC dan PAM A 2,5 1,5 4,65 4,79 82,63 99,69

Sumber: Burhani dkk. (2017)

lindi hitam yang diencerkan dengan air 1:1 dapat dilihat pada Tabel 8.3. Penggunaan dosis PAC sebesar 2,5 g/l dan tawas sebesar 1,5 g/l dapat menurunkan kadar TSS dan dekolorisasi lindi hitam hingga 96,91% dan 98,26%. Kombinasi penggunaan PAC dengan tawas lebih efektif dalam menurunkan kadar TSS dari lindi hitam.

b. Advanced Oxidation Processes (AOPs)Teknologi AOPs populer karena kemampuannya mengoksidasi polutan melalui sistem radikal peroksida. AOPs pada umumnya menggunakan metode Fenton. Dengan menggunakan metode ini, radikal-radikal hidroksil yang terbentuk dari reagen Fenton mampu mendetoksifikasi kontaminan melalui reaksi oksidasi. Teknologi ini banyak digunakan untuk mengolah air limbah karena mampu mendestruksi senyawa organik, mengurangi nilai biological oxygen demand (BOD), COD, dan mengurangi bau serta warna (Araujo dkk., 2002). Reagen Fenton yang umum digunakan adalah besi sul-fat (FeSO4.7H2O) dan hidrogen peroksida (H2O2) karena rendemen hasil reaksi tinggi mudah didapat, dan ekonomis. Faktor-faktor yang memengaruhi reagen Fenton untuk mendegradasi senyawa organik adalah pH, temperatur, konsentrasi Fe2+, dan konsentrasi H2O2 (Ahmadi, Vahabzadeh, Bonakdarpour, Mofarrah, & Mehra-nian, 2005).


Metode Fenton digunakan untuk mengolah lindi hitam. Rasio volume 0,7 M FeSO4 dan 3 M H2O2 sebesar 1:1 dapat mengurangi warna sebesar 52% (Sari, Muryanto, & Yasin, 2017). Penambahan jumlah H2O2 akan meningkatkan dekolorisasi lindi hitam dan degra dasi lignin. Penambahan H2O2 dapat meningkatkan radikal OH yang akan memengaruhi dekomposisi senyawa organik, se-per ti grup fenol pada lignin (Cortez, Teixeira, Oliveira, & Mota, 2011). Penambahan H2O2 menyebabkan penurunan pH karena adanya fragmentasi bahan organik menjadi asam organik (Araujo dkk., 2002). Semakin tinggi rasio volume FeSO4, semakin besar berat lumpur kering dari hasil proses Fenton. Lumpur ini berasal dari endapan proses Fenton dan sisa FeSO4 yang tidak bereaksi. Melalui desain pusat komposit dan model regresi dengan bantuan MINITAB, diketahui bahwa dekolorisasi air limbah lindi hitam dapat ditingkatkan menjadi 73% apabila pH (6,64), konsentrasi FeSO4 (0,1 M), dan konsentrasi H2O2 (3,68 M) (Sari, Muryanto, dkk., 2017).

c. AdsorpsiAdsorpsi merupakan proses terjadinya ikatan kimia dan fisika antara substansi terlarut dan penyerapnya. Ada beberapa faktor yang memengaruhi adsorpsi, yaitu waktu kontak dan pengadukan, luas permukaan adsorben, kemurnian adsorben, ukuran molekul adsorbat, temperatur, pH serta konsentrasi adsorbat (Weber & Van Vliet, 1981). Adsorben yang banyak digunakan untuk mengadsorp polutan adalah karbon aktif. Karbon aktif merupakan senyawa karbon amorf dan berpori yang mengandung 85–95% karbon, dihasilkan dari bahan batok kelapa atau batubara melalui aktivasi kimia maupun fisika. Proses adsorpsi polutan pada karbon aktif terjadi melalui tiga tahap, yaitu polutan terjerap di bagian luar karbon aktif, kemudian polutan akan bergerak menuju pori-pori karbon aktif, dan terakhir terjerap di dinding bagian dalam karbon aktif.


Karbon aktif tempurung kelapa komersial berukuran 200 mesh digunakan untuk mendekolorisasi air limbah lindi hitam dengan berbagai variasi konsentrasi (30.000, 100.000, dan 300.000 ppm). Sampel diaduk dengan kecepatan 10.000 rpm selama 15 menit. Karbon aktif ini dapat mendekolorisasi lindi hitam dengan kon-sentrasi 30.000, 100.000, dan 300.000 ppm sebesar 99; 70,43; dan 47,4% (Sari, Kurniawan, Nurdin, & Abimanyu, 2015).

d. Metode BiologiMetode biologi dengan menggunakan jamur pelapuk putih menjadi salah satu alternatif dalam pengolahan limbah organik. Hal ini karena enzim ligninolitik, seperti lignin peroksidase (LiP), manganese peroksidase (MnP), dan laccase yang dikandungnya mampu mendegradasi senyawa organik. Mekanisme degradasi lignin oleh enzim LiP dilakukan dengan memecah senyawa feno-lik, yang merupakan penyusun terbesar lignin. Fenolik memiliki cincin aromatik dengan satu atau lebih gugus hidroksil (-OH) dan gugus-gugus lain penyertanya. Oksidasi senyawa aromatik melalui pelepasan satu elektron akan membentuk radikal kation. Radikal kation ini secara spontan bereaksi dengan oksigen sehingga terjadi pemecahan enzimatik untuk memecah ikatan C-C dan C-O, akhirnya terjadilah proses depolimerisasi (Kersten & Cullen, 2007).

Air limbah lindi hitam hasil koagulasi diolah lebih lanjut de ngan menggunakan Trametes versicolor F200, jamur pelapuk pu tih koleksi dari Indonesia. Jamur ini mampu mendekolorisasi air lim bah lindi hitam sebesar 85% selama 10 hari (Hanifah dkk., 2017). Sementara itu, analisis liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) digunakan untuk mengetahui berat molekul senyawa se be lum dan sesudah dekolorisasi dengan metode koagulasi dan jamur pelapuk putih. Berat molekul (BM) senyawa lindi hitam se belum diolah adalah 608 unit, sedangkan BM senyawa sesudah diolah adalah 318 unit. Hal ini menunjukkan bahwa senyawa lignin


dalam lindi hitam mengalami degradasi sehingga terbentuk senyawa baru dengan berat molekul yang lebih kecil. Menurut Fengel dan Wegener (1989), struktur lignin yang tidak teratur menyebabkan proses degradasi lignin menjadi sangat kompleks. Pemecahan lignin dapat menghasilkan monomer-monomer (bentuk dimer dan trimer) yang tidak dapat ditentukan nama senyawanya setelah me nga lami proses degradasi.

e. Integrasi Pengolahan Air Limbah Lindi HitamIntegrasi pengolahan air limbah lindi hitam diperlukan karena pengolahan tunggal belum mampu menurunkan COD dan TSS secara efektif. Integrasi teknologi yang digunakan adalah koagulasi, Fenton, dan adsorpsi. Tabel 8.4 menunjukkan efisiensi pengolahan lindi hitam tiap metode.

Tabel 8.4 menunjukkan bahwa efisiensi total dari pengolahan awal hingga akhir mencapai lebih dari 90%. Jika dibandingkan baku mutu peraturan Menteri Lingkungan Hidup Republik Indonesia No. 5 Tahun 2014, nilai TSS sudah memenuhi baku mutu, sedangkan nilai COD belum memenuhi baku mutu yang ditetapkan.

Tabel 8.4 Efisiensi Pengolahan Air Limbah Lindi Hitam secara Terintegrasi

Perlakuan COD (mg/L)

Penyisihan (%)

TSS (mg/L)

Penyisihan (%)

Warna (ppm)

Penyisihan (%)

Sebelum pengolahan 113.750 - 306 - 500.000 -

Koagulasi-Flokulasi PAC: 25 g/l; Al2(SO4)3 : 15 g/l

18.833 83,44 62 79,47 209.450 58,11

FentonFe2SO4.7H2O: 1,1g/L; H2O2: 60 ml

9.083 51,77 27 55,79 93.475 55,37

Adsorpsi Karbon aktif: 20 g/l

608 90,47 22 18,36 9.290 90,06


2. AdsorbenAir limbah dapat diserap dengan berbagai metode, misalnya tek-no logi membran, koagulasi dan flokulasi, filtrasi, adsorpsi serta metode lainnya. Teknik adsorpsi menggunakan adsorben untuk menyerap partikel polutan yang ada di dalam air limbah. Beberapa adsorben yang banyak digunakan untuk pengolahan air adalah karbon aktif, gel silika, zeolit, dan clay mineral.

Adsorben merupakan media yang sangat efektif dalam pe-nye rapan zat terlarut berupa zat organik dan anorganik dalam air. Permukaan adsorben bersifat nonpolar. Sementara itu, oksida-oksida logam pada adsorben menimbulkan gaya elektrostatis pada permukaan sehingga memungkinkan material ini bertindak sebagai adsorben. Pada umumnya, adsorben, seperti karbon aktif komer-sial, mempunyai harga tinggi. Oleh karena itu, karbon aktif dari biomassa banyak dikembangkan. Sumber limbah yang mengan-dung karbon sangat mudah ditemukan di Indonesia, misalnya dari limbah tanaman padi, jagung, kacang-kacangan, kedelai dan ubi kayu, limbah tebu, kelapa, sawit, karet, kopi, kakao, gergaji kayu, dan sebagainya.

Lumpur hitam juga sering dimanfaatkan sebagai adsorben. Pemanfaatan lumpur hitam dilatarbelakangi oleh adanya lumpur dalam jumlah besar yang dihasilkan dari proses koagulasi. Peng-gunaan koagulan PAC sebanyak 10 g/l untuk mengolah lindi hitam dapat menghasilkan lumpur sebesar 71,29 g/l (Amriani, Barlianti, Muryanto, & Sari 2015). Apabila lumpur ini tidak diolah menjadi material baru yang bermanfaat, akan menimbulkan masalah ling-kungan baru. Oleh karena itu, dikembangkanlah material adsorben dari lumpur lindi hitam. Lumpur hasil koagulasi ini mengandung lignin yang cukup tinggi, yakni 31%. Kandungan organik lindi hitam yang cukup tinggi ini berpotensi untuk dijadikan adsorben. Lignin dapat juga diendapkan dengan penambahan H2SO4. Tabel


8.5 membandingkan hasil analisis komponen lumpur lindi hitam yang diendapkan dengan PAC dan H2SO4. Hal ini dilakukan untuk mengetahui efektivitas pengendapan lumpur sebagai material adsorben berdasarkan kandungan ligninnya.

Tabel 8.5 menunjukkan bahwa lumpur dari proses pengen-dapan menggunakan koagulan PAC lebih potensial untuk digu-nakan sebagai adsorben karena mempunyai kandungan organik yang lebih besar daripada lumpur lindi hitam yang dipresipitasi dengan H2SO4. Selain itu, abu yang terbentuk juga lebih sedikit. Lumpur lindi hitam hasil koagulasi dikarbonisasi sebanyak dua kali, dengan tahapan 575 oC selama 180 menit, kemudian 725 oC selama 40 menit (Sari, Muryanto, dkk., 2017). Karbonisasi dilakukan untuk menghilangkan zat volatil dan memperluas area permukaan sampel yang berkaitan dengan ukuran pori (Foo, Lee, & Hameed, 2013).

Adsorben dari lumpur hitam mempunyai luas permukaan area (SBET) 164,45 m2 g-1. Berdasarkan analisis SEM-EDX, adsorben dari lumpur lindi hitam mengandung Na sebanyak 11,96% dan Al se-banyak 6,97% (Sari, Muryanto, dkk., 2017). Na didapat dari se nyawa NaOH yang digunakan saat proses perlakuan awal, sedang kan Al didapat dari PAC saat proses koagulasi. Adsorben dari lumpur lindi hitam telah diuji coba untuk meng-adsorb berbagai limbah, dan hasil analisisnya dapat dilihat pada Tabel 8.6. Analisis warna, logam, dan COD dilakukan dengan spektrofotometer untuk membanding-kan nilai konsentrasi sebelum dan sesudah pengolahan.

Tabel 8.5 Hasil Analisis Komponen Lumpur Lindi Hitam

Sampel lumpur Lignin (%) Hemiselulosa (%) Abu (%)

Lumpur (koagulan PAC) 30,99 ± 0,456 - 0,1867 ± 0,100Lumpur (penambahan H2SO4) 17,36 ± 0,330 7,313 ± 0,116 0,7567 ± 0,90

Sumber: Sari, Muryanto, dkk. (2017)


Tabel 8.6 Adsorpsi Polutan oleh Adsorben dari Lumpur Lindi Hitam

Jenis limbah Jumlah adsorben Perlakuan pengadukan

Efisiensi penyisihan

(%)Limbah warna artifisial Methylene Blue 100 ppm

0,25 g dalam 50 ml

200 rpm, 90 menit

Warna: 95,64

Limbah warna artifisial Acid Red 100 ppm

0,75% 200 rpm, 40 menit

Warna: 95

Limbah warna artifisial Acid Orange 100 ppm

0,75% 200 rpm, 40 menit

Warna: 90

Air gambut 0,5 g dalam 50 ml

200 rpm, 6 jam

Warna: 72,1Besi: 100

Mangan: 100Air lindi tempat pembuangan akhir (TPA)

0,5 g dalam 50 ml

200 rpm, 6 jam

COD: 56,6

Lindi hitam 25.000 ppm

0,5 g dalam 100 ml

150 rpm, 90 menit

Warna: 85,59

Sumber: Sari, Amriani, dkk. (2017)

Adsorben dari limbah biomassa telah banyak dikembangkan untuk menyerap polutan organik. Tabel 8.7 menunjukkan potensi limbah biomassa sebagai adsorben.

Tabel 8.7 menunjukkan bahwa nilai luas permukaan adsorben lumpur lindi hitam adalah yang terkecil dibandingkan luas permu-kaan karbon aktif dari limbah biomassa lainnya walaupun kemam-puan adsorben lumpur lindi hitam untuk menyerap polutan cukup baik. Tantangan yang ada dalam pemanfaatan adsorben adalah proses pengambilan kembali adsorben yang telah menyerap polu-tan dari air limbah. Melalui metode desorption yang tepat, polutan yang terjerat pada adsorben dapat lepas sehingga adsorben bisa digunakan kembali. Tantangan lain adalah pemanfaatan adsorben


Tabel 8.7 Pembuatan Adsorben/Karbon Aktif dari Limbah Biomassa

Bahan baku Aktivasi

Suhu, waktu

aktivasi

LuasPermu

kaan (m2/g)

Poripori Aplikasi Referensi

Lumpur lindi hitam

Steam 725 0C, 40 menit

164,45 Tidak diukur

Dekolorisasi Methylene Blue, Acid Red, Acid Orange

(Sari, Amriani dkk., 2017)

Cangkang buah jarak (Jatropha curcas)

NaOH 8000C, 120 menit

1873 V =1,312 cm3/gØ = 28 Å

Penyerapan iodin dan metilen blue

(Tongpoothorn dkk., 2011)

Kotoran kuda, rumput, limbah bir, sludge

Steam atau CO2

8000C, 120 menit

749, 841, 622, 489

V = 0,816;0,379; 0,317;0,387 cm3/g

Penyerapan CO2

(Hao, Björkman, Lilliestråle, & Hedin, 2013)

Cangkang Sawit

H3PO4 6000C, 90 menit

666,534 V = 0,3571 cc/gØ = 10,713 Å

Peyerapan CO2 dan pemurnian biogas

(Widyastuti, Sitorus, & Jayuska, 2013)

Ban Bekas H3PO4 9000C, 120 menit

981 V = 1,51 cc/gØ = 3,12 nm

Penghilangan pestisida di air limbah

(Gupta, Gupta, Rastogi, Agarwal, & Nayak, 2011)

Biji kurma H3PO4 4500C, 120 menit

826 V = 0, 46 cm3/g

Penghilangan tembaga (II)

(Bouhamed, Elouear, & Bouzid, 2012)

Bunga cemara (Camellia oleifera)

ZnCl2 6000C, 60 menit

1935 V = 1,02 cm3/gØ = 2,1 nm

Aplikasi super-kapasitor

(Zhang, Gong, Sun, Jiang, & Zhang, 2012)

Limbah teh

KCH3COO 8000C, 80 menit

820 V = 0,219 cm3/gØ = 2,458 nm

Penyerapan AB25

(Auta & Hameed, 2011)

yang sudah mengandung polutan. Sebagai contoh, adsorben yang mengandung polutan fosfat dapat digunakan sebagai pupuk karena fosfat dapat berfungsi sebagai penyubur tanaman.


3. Perolehan Lignin (Lignin Recovery) Menurut Sjöström (1993), lindi hitam mengandung campuran dengan komposisi struktur dan susunan yang kompleks. Lindi hi-tam mengandung komposisi organik 78% dan komposisi anorganik 22%. Lignin merupakan komposisi terbesar dalam lindi hitam (37,5%), diikuti asam sakarin/hemiselulosa (22,6%), dan asam ali-fatik (14,4%) (Brongers & Mierzwa, 2000). Lindi hitam sisa proses produksi bioetanol G2 mengandung lignin 55% dan kadar karbon dalam lindi hitam 22,76% (Risanto, Hermiati, & Sudiyani, 2014).

Level kemurnian lignin untuk kebutuhan industri berbeda-beda, tergantung pemanfaatannya, misalnya sebagai perekat atau bahan kosmetik (Hermiati, Lubis, Risanto, Laksana, & Zaini, 2015; Meliana & Setiawan, 2016). Lignin dihasilkan dari proses deligni-fikasi pada proses bioetanol lignoselulosa. Dalam mempero leh lignin, ada tantangan yang dihadapi, yakni lignin tersebut masih mengandung selulosa, hemiselulosa, dan senyawa anorganik se-ba gai kontaminan. Oleh karena itu, kontaminan tersebut harus dihilangkan melalui proses pemurnian. Jumlah pengotor anorganik umumnya ditunjukkan dengan kandungan abu. Pembentukan abu dipengaruhi oleh pH optimum, suhu kalsinasi, dan perlakuan awal diberikan ketika proses pemurnian. Variasi kondisi parameter-parameter ini akan berdampak pada kadar abu dan elemen yang terkandung dalam residu (García dkk., 2009).

Karakterisasi kemurnian padatan lignin ditinjau dari jumlah pengotor anorganik, terutama logam berbahaya, telah dilakukan. Setiawan (2016) melakukan penelitian mengenai penghilangan kotoran anorganik. Lindi hitam dalam penelitian tersebut memiliki pH 14, densitas 1,03 g/mL, dan kadar padatan kering total 66,9 g/L. Lindi hitam diperoleh dari proses delignifikasi TKS dengan menggunakan 5% (b/b) larutan NaOH dengan rasio solid to liquid


1:5, padat temperatur 150°C, dan tekanan 5 bar selama 30 menit. Lignin dalam lindi hitam diendapkan dengan menambahkan 50% (v/v) asam sulfat sampai cairan hitam mencapai pH =12 dan pH = 1. Masing-masing larutan yang dihasilkan disentrifugasi pada 4000 rpm selama 15 menit, kemudian residu yang mengandung lignin disaring dan dike ring kan pada 50°C selama 16 jam. Sampel dikarakterisasi dengan thermogravimetric/differential thermal analysis (TG/DTA) dan hasilnya dikonfirmasi dengan uji tem-perature programmed calcinations (TPC). Komposisi unsur-unsur anorganik yang ter kandung dalam abu dianalisis dengan energy dispersive spectroscopy (EDS) dan distribusi partikel diukur dengan particle size analyzer (PSA). Hasil analisis ditunjukkan pada Tabel 8.8.

Tabel 8.8 menunjukkan bahwa proses pemurnian lignin yang paling baik untuk menghilangkan unsur anorganik adalah pada kondisi pH = 1. Ukuran partikel pada pH = 12 adalah 59 μm dan pada pH = 1 adalah 262 μm. Data ini menunjukkan bahwa pem-bentukan partikel besar terjadi pada pengendapan dengan kondisi pH = 1. Hal ini karena ion logam tersisihkan pada kondisi tersebut

Tabel 8.8 Komposisi Kandungan Unsur Anorganik dalam Abu yang Dihasilkan dari pH=1 dan pH=12

Unsur yang teridentifikasi% b/b unsur

Larutan awal pH=12 Larutan awal pH=1Na 2,3 -Mg 1,3 -Al 5,3 0,2Si 18,0 0,4K 2,4 -

Ca 2,4 0,2Fe 5,1 -Cu 13,8 1,8Zn 8,7 -

Sumber: Setiawan (2016)


dan terbentuk aglomerasi lignin yang lebih murni. Ukuran partikel lignin tergantung pada kondisi operasi pengendapan dan material dari sumber lignin (Cazacu, Capraru, & Popa, 2013).

Isolasi lignin dari lindi hitam juga dilakukan oleh Risanto dkk. (2014). Asam klorida digunakan untuk mengendapkan lignin pada pH 2 dan 5. Setelah diendapkan selama 8 jam, presipitat dipisahkan melalui filtrasi vakum, dibilas, dan dikeringkan pada suhu 45 °C selama 24 jam. Lignin yang diukur adalah lignin tidak terlarut dalam asam (acid insoluble lignin/AIL) dan lignin terlarut dalam asam (acid soluble lignin/ASL). Tabel 8.9 menunjukkan karakteristik lindi hitam dan lignin setelah diendapkan dengan asam klorida.

Kadar abu dalam penelitian Setiawan (2016) dan Risanto dkk., (2014) setelah proses delignifikasi pada pH asam 2 dan 5 sebesar kurang dari 1%, sementara kadar abu lindi hitam sebesar 40% (Risanto dkk., 2014). Tingginya nilai kadar abu lindi hitam dise-babkan oleh adanya senyawa-senyawa anorganik seperti Na yang digunakan sebagai material dalam proses perlakuan awal maupun zat pengotor. Senyawa-senyawa ini dapat disisihkan saat presipitasi dan pemisahan lignin dengan asam klorida. Kandungan karbon, hidrogen, dan oksigen pada isolat lignin lebih tinggi daripada lignin dalam lindi hitam karena senyawa nonlignin, seperti gula, wax, lipid, dan senyawa anorganik lainnya, disisihkan oleh asam klorida. Kandungan nitrogen pada isolat lignin lebih tinggi daripada kan-dungan lignin pada lindi hitam karena nitrogen terikat erat dengan molekul lignin sebagai kompleks protein-lignin, dan tidak dapat dipisahkan saat mengisolasi lignin. Double bond equivalent (DBE) mengindikasikan tingkat kondensasi lignin dan kandungan cincin aromatik. DBEs dari dua isolat lignin hampir seluruhnya sama. Artinya, tidak ada pengaruh pencucian lignin presipitat terhadap kandungan kondensasi lignin dan struktur cincin aromatik lignin.


Tabel 8.9 Karakteristik Abu, Elemen, Protein, dan Lignin pada Lindi Hitam, Lignin Murni pH=2, dan Lignin Murni pH 5

Parameter Lindi hitam Lignin (pH 2) Lignin (pH 5)Kadar abu (%) 40,4 0,99 0,82Elemen (%)Karbon 22,76 50,48 50,71Hidrogen 5,16 6,55 6,59Oksigen 31,27 41,02 40,95Nitrogen 0,33 0,81 0,75Sulfur 0,15 0,08 0,15Protein 2,06 5,06 4,69DBE 3,05 3,04Lignin (%)AIL 51,23 93,43 93,67ASL 4,1 1,81 1,88

Sumber: Risanto dkk. (2014)

Kandungan lignin dalam lindi hitam hasil proses perlakuan awal menggunakan metode steam dengan alkali adalah sebesar 62,45–65,28%. Nilai AIL pada lignin total yang diisolasi dari lindi hitam dengan menggunakan asam klorida mencapai lebih dari 93% pada pH 2 dan pH 5 (Risanto dkk., 2014). Nilai ini lebih tinggi dibandingkan kandungan lignin dalam lindi hitam tanpa penambahan asam klorida, yakni 51,23%.

Fatehi dan Chen (2016) menyebutkan dua teknologi komersial yang digunakan untuk mendapatkan lignin murni dari lindi hitam berasal dari limbah pulp, yaitu Ligno Boost Technology dan Ligno Force Technology. Ligno Boost Technology mendapatkan lignin murni melalui proses presipitasi, filtrasi, pengadukan, filtrasi kedua, penghancuran, dan pengeringan. Sementara itu, Ligno Force Technology mendapatkan lignin murni melalui proses oksidasi, asidifikasi, koagulasi, dan filtrasi.


Teknologi membran, seperti micro filtration (MF), ultra filtra tion (UF), dan nano fitration (NF), juga bisa digunakan untuk memurnikan lignin dari lindi hitam (Humpert, Ebrahimi, & Czermak, 2016). Teknologi membran ini diterapkan setelah deligni fikasi dilakukan dengan penambahan bahan kimia, seperti karbon dioksida, asam sulfat, dan klorin dioksida. Lignin yang telah terpresipitasi kemudian dipisahkan dengan membran filtrasi.

Namun, memperoleh lignin tidaklah mudah dan harus meng ha dapi tantangan. Tantangan yang dihadapi adalah belum di gu na kan nya teknologi maju, seperti teknologi membran, di Pusat Penelitian Kimia LIPI. Padahal penggabungan teknologi membran dan kimia diharapkan memperbesar tingkat kemurnian lignin.

4. Perolehan Senyawa Fenol Lindi hitam sebagai produk samping proses perlakuan awal TKS menjadi bioetanol berpotensi menghasilkan senyawa fenol. Potensi ini didukung oleh lindi hitam yang banyak mengandung lignin dan tersusun dari gugus-gugus aromatik. Senyawa fenol tersubstitusi juga dapat digunakan sebagai antioksidan. Senyawa fenol mampu mencegah oksidasi LDL 20 kali lebih kuat dibandingkan vitamin E (Winarsi, 2007). Senyawa ini mampu menghambat reaksi oksidasi dan menangkap radikal bebas. Antioksidan melindungi sel dengan mengorbankan dirinya untuk teroksidasi oleh radikal bebas. Fenol merupakan senyawa yang mudah teroksidasi. Oleh karena itu, senyawa ini sering digunakan sebagai antioksidan. Antioksidan merupakan senyawa yang dapat menunda, memperlambat, dan mencegah terjadinya reaksi oksidasi radikal bebas dalam oksidasi lipid (Kochhar & Rossell, 1990). Antioksidan penting bagi kes-ehatan, terutama untuk mengatasi implikasi reaksi oksidasi dalam tubuh yang dapat menyebabkan penyakit kardiovaskuler, kanker, dan penuaan (Nelson, Bernstein, Schmidt, Von Tress, & Askew,


2003). Proses perolehan senyawa fenol dilakukan dengan dua metode, yaitu hidrotermal likuifaksi dan pirolisis.

a. Proses Hidrotermal LikuifaksiProses hidrotermal likuifaksi merupakan proses biomassa pada tekanan dan temperatur tinggi. Proses ini menggunakan air atau pelarut organik sebagai media reaksi sehingga struktur biopolimer biomassa padat terkonversi menjadi cair. Teknologi hidrotermal likuifaksi biasanya digunakan untuk mengolah biomassa dengan kandungan air yang tinggi sehingga tidak perlu pengeringan bahan baku seperti yang disyaratkan pada proses pirolisis. Proses hidroter-mal likuifaksi menghasilkan produk cair, padat dan gas. Produk cair sering disebut tar dan biasanya mengandung berbagai bahan kimia seperti fenol, aldehid, vanilin, dan asam organik (Huber, Iborra, & Corma, 2006). Sementara itu, produk padat disebut bio-char (Sembiring, Rinaldi, & Simanungkalit, 2015).

Lindi hitam dengan kandungan air yang sangat tinggi dapat diolah melalui proses hidrotermal likuifaksi untuk menghasilkan tar yang mengandung fenol. Komposisi lindi hitam yang sudah mengendap diambil dari pilot plant bioetanol G2 P2 Kimia LIPI dapat dilihat pada Tabel 8.10.

Berdasarkan Tabel 8.10, diketahui bahwa lindi hitam memiliki kandungan lignin yang tinggi sehingga berpotensi menghasilkan

Tabel 8.10 Kandungan Endapan Lindi Hitam

No. Komponen Jumlah (% b/b)1. Lignin 12,082. Selulosa 1,483. Hemiselulosa 6,254. Abu 0,145. Kadar air 80,056. pH 9

Sumber: Mansur, Simanungkalit, Rinaldi, dan Abimanyu (2016)


senyawa fenol. Untuk menghasilkan fenol, lindi hitam diproses se-cara hidrothermal likuifaksi pada temperatur 200–275ºC (12,5–60 bar) selama 2 jam di dalam autoklaf yang mempunyai inner volume 200 ml. Reaktor di-purging dengan gas nitrogen sebelum proses hidrotermal likuifaksi. Skema reaktor autoklaf dapat dilihat pada Gambar 8.3. Reaktor dilengkapi dengan termokopel untuk men-deteksi temperatur proses, indikator tekanan (pressure indicator), dan safety valve yang berfungsi untuk mendeteksi tekanan sistem dan menjaga keamanan tekanan selama proses.

Peningkatan temperatur proses hidrotermal likuifaksi dapat meningkatkan yield dari tar yang dihasilkan. Komponen utama penyusun tar hasil proses hidrotermal likuifaksi lindi hitam ada-lah senyawa fenolik, seperti fenol, guaiakol, dan syringol. Fenol dan guaiakol meningkat dengan pertambahan temperatur, tetapi syringol menurun. Hal ini karena proses dekomposisi lignin men-jadi fenol terjadi pada temperatur tinggi (275°C). Pada temperatur

Sumber: Mansur dkk. (2016)

Gambar 8.3 Skema Reaktor Autoklaf di Pusat Penelitian Kimia LIPI


tersebut, syringol terdekomposisi menjadi guaiakol sehingga kom-posisi guaiakol terus meningkat pada temperatur yang lebih tinggi. Kandungan fenol terbesar di dalam tar diperoleh setelah proses hidrotermal likuifaksi pada temperatur 275°C (60 bar) sebesar 23% (Mansur dkk., 2016).

b. Proses PirolisisProduksi fenol dari lindi hitam juga dapat dilakukan dengan proses pirolisis. Proses pirolisis adalah proses dekomposisi biomassa meng-gunakan panas dalam kondisi inert untuk menghasilkan biochar, tar, dan gas. Walaupun sama-sama menghasilkan tar, seperti halnya hidrotermal likuifaksi, proses pirolisis dilakukan pada temperatur tinggi dan tekanan atmosfer. Selain itu, proses ini juga membutuh-kan bahan baku kering dengan kadar air <12%.

Proses pirolisis lindi hitam diawali dengan proses penetralan, pengeringan (T = 80°C), dan penggilingan untuk memperoleh bubuk. Bubuk lindi hitam mengandung komponen-komponen yang dapat dilihat pada Tabel 8.11, dan lignin merupakan komponen yang dominan.

Proses pirolisis bubuk lindi hitam dilakukan menggunakan reaktor jenis fixed-bed dengan gas nitrogen sebagai gas carrier (Gambar 8.4). Proses pirolisis dilakukan pada temperatur 450–600°C. Setelah proses pirolisis, yield tar terbesar (17,5%) dihasilkan pada temperatur 550°C dan lebih dari 50%-nya terdiri atas senyawa aromatik fenol, alkil fenol, metoksi fenol, alkil metoksi fenol, dan alkil metoksi benzen. Di antara senyawa tersebut, fenol merupakan senyawa yang terbanyak. Sementara itu, senyawa aromatik yang dihasilkan berasal dari dekomposisi lignin selama proses pirolisis.

Pengolahan lindi hitam melalui proses hidrotermal liquifaksi dan pirolisis menghasilkan senyawa fenol dengan kadar rendah, begitu juga dengan senyawa kimia adi lainnya. Hal ini disebabkan


Tabel 8.11 Kandungan Bubuk Lindi Hitam

Komponen Kandungan [% b/b] Lignin 38,04 Selulosa 4,66 Hemiselulosa 19,68 Elemen: C 18,10 H 1,75 O 42,34 N 0,19 Abu 35,40 Kadar air 2,22

Sumber: Mansur, Simanungkalit, dan Rinaldi (2016)

Sumber: Mansur, Simanungkalit, dan Rinaldi (2016)

Gambar 8.4 Diagram Proses Pirolisis Menggunakan Fixed Bed Reactor

lindi hitam mempunyai kandungan karbon yang jauh lebih rendah (18% b/b) dibandingkan biomassa pada umumnya (40% b/b). Ren dah nya kandungan karbon ini mengindikasikan bahwa apabila kan dungan biomassa yang terkandung rendah, akan menghasilkan


senyawa kimia dalam persentase yang rendah pula. Apabila ingin menghasilkan phenol dan senyawa kimia adi lain, sebaiknya yang digunakan adalah biomassa asli bukan produk samping. Dari kajian tersebut, dapat disimpulkan bahwa pengolahan lindi hitam melalui proses hidrotermal liquifaksi dan pirolisis dapat menurunkan be-ban lingkungan dalam pengolahan limbah.

5. Flame Retardant (Senyawa Penghambat Nyala Api)Flame retardant adalah karakteristik senyawa yang dapat meng-hambat dan menghentikan penyebaran api. Penambahan senyawa yang memiliki kemampuan flame retardant dalam material polimer akan menurunkan flammability material tersebut, dan hal ini menguntungkan dari segi ekonomi, lingkungan dan keselamatan pengguna (Landry, 2012). Pada awalnya, senyawa halogen paling banyak digunakan sebagai aditif flame retardant. Masalahnya, halo-gen bersifat karsinogenik sehingga pemanfaatannya ditentang keras oleh dunia internasional (Costes dkk., 2016; Sakharov, Sakharov, Lomakin, & Zaikov, 2014). Oleh karena itu, lignin diharapkan dapat digunakan sebagai flame retardant yang lebih ramah lingkungan.

Mekanisme flame retardant dapat dipahami melalui proses terbakarnya suatu material. Material padat tidak langsung terbakar, tetapi akan terdekomposisi oleh panas (pirolisis) dan melepaskan gas yang mudah terbakar (flammable gases). Api akan muncul pada saat flammable gases bertemu dengan oksigen yang ada di udara. Jika material padat tidak berubah menjadi gas, material tersebut akan terus terbakar, menjadi bara dan hilang dengan sendirinya. Namun, apabila material padatan menghasilkan char (arang) dan membentuk penghalang karbon yang stabil, material ini dapat mencegah akses api menuju material di bawahnya (Burhani & Nugroho, 2018).


Kemampuan lignin dalam menghasilkan char dalam jumlah besar (>50%) dapat berpotensi sebagai flame retardant (De Chirico dkk., 2003; Liu dkk., 2016). Lignin memiliki jangkauan temperatur degradasi termal yang luas (200–500°C) sehingga terdekomposisi lebih lambat dibandingkan selulosa dan hemiselulosa (Brebu & Vasile, 2010).

Lignin dapat dimanfaatkan sebagai aditif wood polymer com-posite (wpc). Penambahan lignin pada campuran polimer tersebut dapat menurunkan laju pelepasan panas (heat release rate/HRR) dan ketersedian oksigen (level oxygen index/LOI) (Ferry, Dorez, Taguet, Otazaghine, & Lopez-Cuesta, 2015; Liu dkk., 2016; Shan dkk., 2015; Yu dkk., 2012). Penggabungan material lain pada lignin, seperti P, N dan ion logam (Cu2+), melalui metode grafting juga terbukti lebih meningkatkan kinerja lignin sebagai flame retardant (Brebu & Vasile, 2010). Pemakaian flame retardant telah diaplikasi-kan di berbagai material, seperti mobil, pesawat, bangunan, dan barang-barang elektronik (Allen dkk., 2013; Babrauskas dkk., 2012; Pecht & Deng, 2006). Selama ini, penelitian-penelitian mengenai flame retardant masih menggunakan lignin komersial sebagai ba-han baku.

Burhani & Nugroho (2018) memisahkan lignin dari lindi hitam TKS, dan sifat termal lignin dianalisis menggunakan alat Thermo-gravimetry Analyzer (TGA) pada temperatur 700oC dalam N2 sehingga diperoleh char sebanyak 50,78%. Hasil penelitian ini sama dengan hasil penelitian De Chirico dkk. (2003), Liu dkk. (2016), dan Yu dkk. (2012) yang menggunakan lignin komersial, dianalisis pada kondisi yang sama, dan menghasilkan char sebesar 40–58%. Hal ini membuktikan bahwa lignin, limbah hasil perlakuan awal dalam proses produksi bioetanol generasi dua, memiliki potensi untuk dikembangkan sebagai flame retardant. Namun, hal yang perlu diperhatikan adalah yield masih sedikit sehingga optimasi


harus terus dilakukan. Pemanfaatan lignin hasil recovery lindi hitam diharapkan dapat menjadi langkah awal dalam kaitannya dengan proses biorefinery material lignoselulosa yang terintegrasi.

C. Proses Pengolahan dan Pemanfaatan Limbah Sisa Fermentasi

Proses fermentasi tidak hanya menghasilkan bioetanol, tetapi juga mengandung sisa ragi Saccharomyces cerevisiae dan silosa yang tidak terfermentasi. Bahan-bahan sisa ini dapat diolah untuk meng hasilkan bahan kimia adi yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Beberapa bahan kimia adi yang dihasilkan sebagai berikut.

1. GlutationBerdasarkan penelitian Wu, Tang, Du, & Xu (2010), ragi S. cerevisiae mengandung senyawa glutation. Glutation adalah tripeptida yang terdiri dari asam glutamat, sistein, dan glisin. Glutation sebagai zat antioksidan dapat diaplikasikan di berbagai bidang, misalnya farmasi, kecantikan, bahan pangan, dan bidang lainnya (Lorenz, Schmacht, Stahl, & Senz, 2015; Suzuki dkk. 2011). Secara genetik, S. cerevisae dapat memproduksi senyawa glutation sebesar 3–8% (Stewart, 2014). Ragi sisa fermentasi bioetanol dapat dimanfaatkan untuk mendapatkan senyawa glutation dengan cara ekstraksi secara maserasi.

Muryanto, Alvin, Nurdin, Hanifah, dan Sudiyani (2017) mela-kukan sistem ekstraksi glutation dari limbah S.cerevesiae dengan menggunakan pelarut metanol dan proses sonikasi sebagai produk turunan proses pembuatan bioetanol. Ragi sisa dari proses fer-mentasi dipisahkan dari larutan fermentasi dengan sentrifugasi, kemudian padatan ini diekstrak dengan pelarut metanol. Kadar glutation sulfihidril (GSH) pada filtrat dapat diketahui dengan me-tode analisis alloxan menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada


panjang gelombang 305 nm. Perbandingan pelarut metanol S/L 1: 3 dapat menghasilkan kandungan glutation 1,32 g.l (Muryanto dkk., 2017). Penggunaan metanol meningkatkan yield glutation karena glutation lebih mudah terlarut dalam fraksi metanol dibandingkan fraksi air (Khoomrung dkk., 2015).

Penambahan sonikasi pada proses ekstraksi menghasilkan glutation yang lebih tinggi dibandingkan tanpa sonikasi. Penelitian Carrera, Ruiz-Rodríguez, Palma, dan Barroso (2015) menunjukkan bahwa penggunaan sonikasi dapat meningkatkan hasil ekstraksi asam amino. Menurut Mostafaei, Ghobadian, Barzegar, dan Banakar (2015), metode sonikasi dapat meningkatkan kecepatan absorpsi. Sementara itu, pengadukan oleh ultrasonikasi membantu proses dispersi dalam fase organik dalam cairan sehingga saling bercampur satu sama lain. Menurut Wu dkk. (2015), dinding sel dan membran sel akan pecah selama proses ultrasonikasi sehingga bahan aktif pada sampel akan terlepas.

Glutation memiliki tiga fungsi, yaitu sebagai antioksidan yang berperan dalam pemeliharaan homoeostasis redoks di dalam sel, meningkatkan imunitas, dan mengurangi racun pada organisme eukaryotik tingkat tinggi (detoxifier). Kekurangan glutation (GSH) dapat menyebabkan stres oksidatif, yang berperan penting dalam proses penuaan dan patogenesi penyakit kwashiorkor, seizure, alzheimer, parkinson, hati, sistat fibrosis, HIV, AIDS, kanker, serangan jantung, stroke, dan diabetes (Santos, Gonzales, Úbeda, & Alegre, 2007). Sebagai antioksdan, glutation dapat dijadikan produk farmasi, baik dalam bentuk sediaan oral maupun krim untuk kulit. Beberapa produk kecantikan mengandung glutation telah banyak di pasaran. Sebagai produk intraselulor dari ragi, ada beberapa hambatan dalam pemanfaatan glutation dari ragi sisa fermentasi bietanol G2, yakni hambatan teknologi dalam pemisahan ragi dari sisa fermentasi, proses ektraksi yang efisien, dan uji toksistas.


2. Senyawa Kimia Adi LainnyaTahap distilasi dan pemurnian dilakukan untuk mendapatkan kon sentrasi bioetanol di atas 90%. Pada proses distilasi, etanol di pisahkan dari air, ragi fermentasi, dan senyawa kimia lain yang terbentuk selama proses fermentasi. Proses distilasi bioetanol meng hasilkan residu yang berada di tangki bawah kolom distilasi yang disebut sisa distilasi. Simanungkalit, Mansur, dan Fitriady (2016) memanfaatkan sisa distilasi untuk mendapatkan bahan ki mia adi.

Cara mendapatkan kimia adi diawal dengan pengendapan sisa distilasi selama 72 jam. Air pada lapisan atas dipisahkan dari lumpur (slurry) yang ada di lapisan bawah. Lumpur diproses secara hidrotermal likuifaksi menggunakan reaktor autoklaf (Gambar 8.2). Kandungan lumpur dapat dilihat pada Tabel 8.12 (Simanungkalit dkk., 2016).

Proses hidrotermal likuifaksi limbah distilasi menghasilkan produk padat (biochar), produk cair (tar), dan gas. Nilai kalor pada liquid produk (tar) sangat rendah. Hal ini menunjukkan bahwa tar tersebut tidak bisa digunakan sebagai bahan bakar cair (bio-oil),

Tabel 8.12 Kandungan Lumpur Endapan Limbah Distilasi Bioetanol G2 dari TKS

Komponen Konsentrasi (% b/b)Kadar air 90,92Etanol 2,28Glukosa 0,94Silosa 1,18Komponen solid lainnya 6,96C 5,79H 10,85O 83,07N 0,29

Sumber: Simanungkalit dkk. (2016)


tetapi bahan kimia yang dikandung dapat menjadi bahan kimia adi. Senyawa kimia yang terkandung dalam tar adalah 2,3-butandiol; asam asetat; aseton; etanol; gliserin; fenol; 2,6-dimetoksi fenol; 2-metoksi fenol, dan propilen glikol. Proses hidrotermal likuifaksi limbah distilasi menggunakan 20% Na2CO3 sebagai katalis dapat meningkatkan kandungan etanol dalam tar hingga 16 C-mol%. Sementara itu, gliserin, asam asetat, dan 2,3-butandiol terkandung sebesar 9%, 5%, dan 3% (Simanungkalit dkk., 2016). Sama halnya dengan produk hasil hidrotermal liquifaksi lindi hitam, senyawa kimia adi yang dihasilkan dari limbah distilasi juga relatif rendah. Namun, pengolahan ini dapat mendegradasi glukosa, silosa, dan komponen solid lainnya menjadi etanol sehingga kadar etanol meningkat.

D. KesimpulanLimbah bioetanol menjadi beban lingkungan dan tidak memiliki nilai ekonomi apabila tidak diolah. Konversi limbah bioetanol menjadi kimia adi akan menambah nilai ekonomi dan membantu mengurangi biaya pemusnahan limbah serta mengurangi beban lingkungan. Konsep biorefinery pada proses produksi bioetanol adalah untuk mendapatkan produk bioetanol sebagai bahan bakar dan menghasilkan produk turunan yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Produk turunan hasil pengolahan sisa proses produksi bio-etanol G2 yang dilakukan di Pusat Penelitian Kimia LIPI berupa adsorben, senyawa fenol, lignin, flame retardant, glutation, dan kimia adi lainnya. Sebagian besar produk tersebut sudah dipaten-kan dan me nuju komersialisasi. Pemanfaatan limbah bioetanol adalah sa lah satu upaya zero waste dan memenuhi prinsip green chemistry. Proses produksi bioetanol di PP Kimia LIPI telah dapat mengurangi jumlah zat berbahaya yang dibuang ke lingkungan.


Teknologi pengo lahan dan pemanfaatan limbah bioetanol ini memberikan bebe rapa manfaat, yaitu mengurangi jumlah limbah, mengurangi bia ya operasional, mengurangi penggunaan energi dan sumber daya alam serta produk ramah lingkungan.

Daftar PustakaActivated Carbon from Lignin-based Black Liquor Coagulated by

Polyaluminium Chloride. (2015). Procedia Chemistry. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.proche.2015.12.041.

Ahmadi, M., Vahabzadeh, F., Bonakdarpour, B., Mofarrah, E., & Mehranian, M. (2005). Application of the central composite design and response surface methodology to the advanced treatment of olive oil processing wastewater using Fenton’s peroxidation. Journal of Hazardous Materials, 123(1–3), 187–195. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.03.042.

Alaerts, G., & Santika, S. S. (1987). Metode penelitian air. Usaha Nasional. Surabaya, 309.

Allen, J. G., Stapleton, H. M., Vallarino, J., McNeely, E., McClean, M. D., Harrad, S. J., … Spengler, J. D. (2013). Exposure to flame retardant chemicals on commercial airplanes. Environmental Health: A Global Access Science Source, 12(1), 17. https://doi.org/10.1186/1476-069X-12-17.

Amriani, F., Barlianti, V., Muryanto, & Sari, A. A. (2015). Activated carbon from lignin-based black liquor coagulated by polyaluminium chloride. Procedia Chemistry, 16, 134–140. https://doi.org/10.1016/j.proche.2015.12.041.

Araujo, E., Rodriguez-Malaver, A. J., González, A. M., Rojas, O. J., Peñaloza, N., Bullón, J., … Dmitrieva, N. (2002). Fenton’s reagent-mediated degradation of residual Kraft black liquor. Applied Biochemistry and Biotechnology, 97(2), 91–103.

Auta, M., & Hameed, B. H. (2011). Preparation of waste tea activated carbon using potassium acetate as an activating agent for adsorption of Acid Blue 25 dye. Chemical Engineering Journal, 171(2), 502–509.

Babrauskas, V., Lucas, D., Eisenberg, D., Singla, V., Dedeo, M., & Blum, A. (2012). Flame retardants in building insulation: A case for re-evaluating building codes. Building Research and Information, 40(6), 738–755. https://doi.org/10.1080/09613218.2012.744533.


Bouhamed, F., Elouear, Z., & Bouzid, J. (2012). Adsorptive removal of copper(II) from aqueous solutions on activated carbon prepared from Tunisian date stones: Equilibrium, kinetics and thermodynamics. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 43(5), 741–749. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2012.02.011.

Brebu, M., & Vasile, C. (2010). Thermal degradation of lignin—a review. Cellulose Chemistry & Technology, 44(9), 353–363.

Brongers, M., & Mierzwa, A. (2000). Pulp and paper. Dublin, Ohio: CC Technologies Laboratories.

Burhani, D., & Nugroho, S. (2017). The potential of lignin from black liquor wastewater of bioethanol production as flame retardant additive. International Symposium on Innovative Bioproduction Indonesia (ISIBio), 48. ISSN: 978-602 63-3-9.

Burhani, D., Winarni, A., & Sari, A. A. (2017). Effect of coagulant/flocculant dosage and pH to water recovery of black liquor wastewater in bioethanol production from oil palm empty fruit bunch using response surface methodology. AIP Conference Prosiding, 1803 (1), 020004. ISBN: 978-602-603-63-3-9.

Carrera, C., Ruiz-Rodríguez, A., Palma, M., & Barroso, C. G. (2015). Ultrasound-assisted extraction of amino acids from grapes. Ultrasonics Sonochemistry, 22, 499–505. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.ultsonch.2014.05.021.

Cazacu, G., Capraru, M., & Popa, V. I. (2013). Advances concerning lignin utilization in new materials. Dalam S. Thomas, P. M. Visakh, & A. P. Mathew (Eds.), Advances in natural polymers: Composites and nanocomposites. https://doi.org/10.1007/978-3-642-20940-6_8.

Cortez, S., Teixeira, P., Oliveira, R., & Mota, M. (2011). Evaluation of fenton and ozone-based advanced oxidation processes as mature landfill leachate pre-treatments. Journal of Environmental Management, 92(3), 749–755. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.10.035.

Costes, L., Laoutid, F., Aguedo, M., Richel, A., Brohez, S., Delvosalle, C., & Dubois, P. (2016). Phosphorus and nitrogen derivatization as efficient route for improvement of lignin flame retardant action in PLA. European Polymer Journal, 84, 652–667. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2016.10.003.

De Chirico, A., Armanini, M., Chini, P., Cioccolo, G., Provasoli, F., & Audisio, G. (2003). Flame retardants for polypropylene based on


lignin. Polymer Degradation and Stability, 79(1), 139–145. https://doi.org/10.1016/S0141-3910(02)00266-5.

Effendi, H. (2003). Telaah kualitas air, bagi pengelolaan sumber daya dan lingkungan perairan. Yogyakarta: Kanisius.

Fatehi, P., & Chen, J. (2016). Extraction of technical lignins from pulping spent liquors, challenges and oppertunities. Dalam Production of biofuels and chemicals from lignin (35–54). https://doi.org/10.1007/ 978-981-10-1965-4.

Fengel, D., & Wegener, G. (1989). Wood: Chemistry, ultrastructure, reactions. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions, 42(8), 314–314. https://doi.org/10.1007/BF02608943.

Ferry, L., Dorez, G., Taguet, A., Otazaghine, B., & Lopez-Cuesta, J. M. (2015). Chemical modification of lignin by phosphorus molecules to improve the fire behavior of polybutylene succinate. Polymer Degradation and Stability, 113, 135–143. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2014.12.015.

Foo, K. Y., Lee, L. K., & Hameed, B. H. (2013). Preparation of activated carbon from sugarcane bagasse by microwave assisted activation for the remediation of semi-aerobic landfill leachate. Bioresource Technology, 134, 166–172. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.01.139.

García, A., Toledano, A., Serrano, L., Egüés, I., González, M., Marín, F., & Labidi, J. (2009). Characterization of lignins obtained by selective precipitation. Separation and Purification Technology, 68(2), 193–198. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.seppur.2009.05.001.

Gupta, V. K., Gupta, B., Rastogi, A., Agarwal, S., & Nayak, A. (2011). Pesticides removal from waste water by activated carbon prepared from waste rubber tire. Water Research, 45(13), 4047–4055. https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.05.016.

Hanifah, U., Saefumillah, A., & Sari, A. A. (2017). Decolorization of black liquor using coagulation-flocculation and Trametes versicolor F200. Proceedings Book The 7th Annual Basic Science International Conference, Volume 1, 124–127.

Hao, W., Björkman, E., Lilliestråle, M., & Hedin, N. (2013). Activated carbons prepared from hydrothermally carbonized waste biomass used as adsorbents for CO2. Applied Energy, 112, 526–532. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.02.028.

Hermiati, E., Lubis, M. A. R., Risanto, L., Laksana, R. P. B., & Zaini, L. H. (2015). Characteristics and bond performance of wood adhesive made from natural rubber latex and alkaline pretreatment lignin. Procedia


Chemistry, 16, 376–383. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.proche. 2015.12.067.

Hewitt, L. M., Parrott, J. L., & McMaster, M. E. (2006). A decade of research on the environmental impacts of pulp and paper mill effluents in Canada: Sources and characteristics of bioactive substances. Journal of Toxicology and Environmental Health - Part B: Critical Reviews, 9, 341–356. https://doi.org/10.1080/15287390500195976.

Huber, G. W., Iborra, S., & Corma, A. (2006). Synthesis of transportation fuels from biomass: Chemistry, catalysts, and engineering. Chemical Reviews, 106, 4044–4098. https://doi.org/10.1021/cr068360d.

Humpert, D., Ebrahimi, M., & Czermak, P. (2016). Membrane technology for the recovery of lignin: A review. Membranes, 6(3), 42.

Irfan, M., Butt, T., Imtiaz, N., Abbas, N., Khan, R. A., & Shafique, A. (2017). The removal of COD, TSS and colour of black liquor by coagulation–flocculation process at optimized pH, settling and dosing rate. Arabian Journal of Chemistry, 10, S2307–S2318. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2013.08.007.

Kawamura, S. (1991). Effectiveness of natural polyelectrolytes in water treatment. Journal (American Water Works Association), 3(1), 88–91.

Kersten, P., & Cullen, D. (2007). Extracellular oxidative systems of the lignin-degrading Basidiomycete Phanerochaete chrysosporium. Fungal Genetics and Biology, 44, 77–87. https://doi.org/10.1016/j.fgb.2006. 07.007.

Khoomrung, S., Martinez, J. L., Tippmann, S., Jansa-Ard, S., Buffing, M. F., Nicastro, R., & Nielsen, J. (2015). Expanded metabolite coverage of Saccharomyces cerevisiae extract through improved chloroform/methanol extraction and tert-butyldimethylsilyl derivatization. Analytical Chemistry Research, 6, 9–16. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/ j.ancr.2015.10.001.

Kochhar, S. P., & Rossell, J. B. (1990). Detection, estimation and evaluation of antioxidants in food systems. Dalam B. J. F. Hudson (Ed.), Food antioxidants (19–64). https://doi.org/10.1007/978-94-009-0753-9_2.

Kovacs, T. G., Martel, P. H., & Voss, R. H. (2002). Assessing the biological status of fish in a river receiving pulp and paper mill effluents. Environmental Pollution, 118(1), 123–140. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(01)00205-6.


Landry, S. D. (2012). Flame retardants - Regulatory issues and sustainability. ACS Symposium Series, 1118(July), 523–538. https://doi.org/10.1021/bk-2012-1118.ch032.

Liu, L., Qian, M., Song, P., Huang, G., Yu, Y., & Fu, S. (2016). Fabrication of green lignin-based flame retardants for enhancing the thermal and fire retardancy properties of polypropylene/wood composites. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 4(4), 2422–2431. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b00112.

Lorenz, E., Schmacht, M., Stahl, U., & Senz, M. (2015). Enhanced incorporation yield of cysteine for glutathione overproduction by fed-batch fermentation of Saccharomyces cerevisiae. Journal of Biotechnology, 216, 131–139. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.jbiotec.2015.10.016.

Maas, R. H. W., Bakker, R. R., Boersma, A. R., Bisschops, I., Pels, J. R., de Jong, E., … Reith, H. (2008). Pilot-scale conversion of lime-treated wheat straw into bioethanol: Quality assessment of bioethanol and valorization of side streams by anaerobic digestion and combustion. Biotechnology for Biofuels, 1(1), 14. https://doi.org/10.1186/1754-6834-1-14.

Mansur, D., Simanungkalit, S. P., & Rinaldi, N. (2016). Pemanfaatan limbah pretreatment dalam produksi bioetanol dari lignoselulosa untuk me-recovery fine chemicals dengan proses Pirolisis. Reaktor, 16(1), 17–23.

Mansur, D., Simanungkalit, S. P., Rinaldi, N., & Abimanyu, H. (2016). Hydrothermal liquefaction of black liquor. Teknologi Indonesia, 39(1), 29–35.

Meliana, Y., & Setiawan, A. H. (2016). Antioxidant activity of lignin phenolic compounds as by-product of pretreatment process of bioethanol production from empty fruits palm bunch. AIP Conference Proceedings, 1712(1), 50010. https://doi.org/10.1063/1.4941893.

Mostafaei, M., Ghobadian, B., Barzegar, M., & Banakar, A. (2015). Optimization of ultrasonic assisted continuous production of biodiesel using response surface methodology. Ultrasonics Sonochemistry, 27, 54–61. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.ultsonch.2015.04.036.

Muryanto, M., Alvin, Nurdin, M., Hanifah, U., & Sudiyani, Y. (2017). Extraction of glutathione from EFB fermentation waste using methanol with sonication process. AIP Conference Proceedings, 1904(1), 20011. https://doi.org/10.1063/1.5011868.


Nelson, J. L., Bernstein, P. S., Schmidt, M. C., Von Tress, M. S., & Askew, E. W. (2003). Dietary modification and moderate antioxidant supple-mentation differentially affect serum carotenoids, antioxidant levels and markers of oxidative stress in older humans. The Journal of Nutrition, 133(10), 3117–3123. Diakses dari http://dx.doi.org/10.1093/jn/133.10.3117.

Pecht, M., & Deng, Y. (2006). Electronic device encapsulation using red phosphorus flame retardants. Microelectronics Reliability, 46(1), 53–62. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.09.001.

Risanto, L., Hermiati, E., & Sudiyani, Y. (2014). Properties of lignin from oil palm empty fruit bunch and its application for plywood adhesive. Makara Journal of Technology, 18(2), 67–75.

Sakharov, A. M., Sakharov, P. A., Lomakin, S. M., & Zaikov, G. E. (2014). Novel class of eco-flame retardants based on the renewable raw materials. Dalam C. D. Papaspyrides & P. Kiliaris (Ed.), Polymer green flame retardants. Newnes. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53808-6.00007-X.

Santos, Gonzales, T. A., Úbeda, B. T., & Monte Alegre, R. (2007). Influence of culture conditions on glutathione production by Saccharomyces cerevisiae. Applied Microbiology and Biotechnology, 77(4), 763–769. https://doi.org/10.1007/s00253-007-1211-6.

Sari, A. A., Amriani, F., Muryanto, M., Triwulandari, E., Sudiyani, Y., Barlianti, V., … Hadibarata, T. (2017). Mechanism, adsorption kinetics and applications of carbonaceous adsorbents derived from black liquor sludge. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 77, 236–243. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2017.05.008.

Sari, A. A., Ibadurrahman, A. F., Waluyo, J., Muryanto, Amriani, F., Burhani, D., … Abimanyu, H. (2017). Effective production of second generation bioethanol: Perspective study on wastewater pretreatment. In Toward the Future of Asia: My Proposal (Volume 3).

Sari, A. A., Kurniawan, H. H., Nurdin, M., & Abimanyu, H. (2015). Decolorization of Black Liquor Wastewater Generated from Bioethanol Process by Using Oil Palm Empty Fruit Bunches. Energy Procedia, 68, 254–262. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.254.

Sari, A. A., Muryanto, M., & Yasin, H. (2017). Metode permukaan respon dan aplikasinya pada pengolahan air limbah lindi hitam dengan meng-gunakan reaksi Fenton. Jurnal Riset Teknologi Pencegahan Pencemaran Industri, 8(1), 23–34.


Sembiring, K. C., Rinaldi, N., & Simanungkalit, S. P. (2015). Bio-oil from fast pyrolysis of empty fruit bunch at various temperature. Energy Procedia, 65, 162–169. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.01.052.

Setiawan, A. H. (2016). Identifikasi Logam pada Endapan Lindi Hitam Hasil Samping Proses Bioetanol sebagai Salah Satu Konsep dalam Pemurnian Lignin. J. Kim. Terap Indones, 18(June), 73–78.

Shan, G., Jin, W., Chen, H., Zhao, M., Surampalli, R., Ramakrishnan, A., … Tyagi, R. D. (2015). Flame-retardant polymer nanocomposites and their heat-release rates. Journal of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste, 19(4), 04015006. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HZ.2153-5515.0000269.

Simanungkalit, S. P., Mansur, D., & Fitriady, M. A. (2016). Hydrothermal liquefaction limbah distilasi bietanol generasi-2. Reaktor, 16(2), 49–56.

Sjostrom, E. (1993). Chapter 4-Lignin. Dalam Wood chemistry fundamentals and applications (2nd Edition, 71–89). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-092589-9.50008-5.

Sjostrom, E. (1993). Chapter 7 - Wood Pulping BT - Wood Chemistry (Second Edition). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-08-092589-9. 50011-5.

Stewart, G. G. (2014). Saccharomyces cerevisiaee. Dalam Robinson, R. K. (Ed.), Encyclopedia of food microbiology. Academic Press. Elsevier.

Suzuki T, Yokoyama A, Tsuji T, Ikeshima E, Nakashima K, Ikushima S, Kobayashi C, and Y. S. (2011). Identification and characterization of genes involved in glutathione production in yeast. Journal of Bioscience and Bioengineering, 112(2), 107–113.

Tongpoothorn, W., Sriuttha, M., Homchan, P., Chanthai, S., & Ruang-viriyachai, C. (2011). Preparation of activated carbon derived from Jatropha curcas fruit shell by simple thermo-chemical activation and characterization of their physico-chemical properties. Chemical Engineering Research and Design, 89(3), 335–340. https://doi.org/10.1016/ j.cherd.2010.06.012.

Weber Jr, W. J., & van Vliet, B. M. (1981). Synthetic adsorbents and activated carbons for water treatment: overview and experimental comparisons. Journal‐American Water Works Association, 73(8), 420–426.

Widyastuti, A., Sitorus, B., & Jayuska, A. (2013). Karbon aktif dari limbah cangkang sawit sebagai adsorben gas dalam biogas hasil fermentasi anaerobik sampah organik. Jurnal Kimia Khatulistiwa, 2(1).


Winarsi, H. (2007). Antioksidan alami dan radikal bebas. Potensi dan aplikasinya dalam kesehatan. Yogyakarta: Kanisius.

Wu, T., Yu, X., Hu, A., Zhang, L., Jin, Y., & Abid, M. (2015). Ultrasonic disruption of yeast cells: Underlying mechanism and effects of pro-cessing parameters. Innovative Food Science & Emerging Techno-logies, 28, 59–65. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.ifset.2015. 01.005.

Wu, X., Tang, L., Du, Y., & Xu, Z. (2010). Improving glutathione extraction from crude yeast extracts by optimizing aqueous two-phase system composition and operation conditions. Korean Journal of Chemical Engineering, 27(6), 1829–1835. https://doi.org/10.1007/s11814-010-0308-2.

Yu, Y., Fu, S., Song, P., Luo, X., Jin, Y., Lu, F., … Ye, J. (2012). Functionalized lignin by grafting phosphorus-nitrogen improves the thermal stability and flame retardancy of polypropylene. Polymer Degradation and Stability, 97(4), 541–546. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2012.01.020.

Zhang, J., Gong, L., Sun, K., Jiang, J., & Zhang, X. (2012). Preparation of activated carbon from waste Camellia oleifera shell for supercapacitor application. Journal of Solid State Electrochemistry, 16(6), 2179–2186. https://doi.org/10.1007/s10008-012-1639-1.

255

9PERKEMBANGAN TEKNO-EKONOMI

DAN KEBIJAKAN PENGGUNAAN BIOETANOL SEBAGAI BAHAN BAKAR

PADA TATARAN GLOBALSyahrul Aiman, Muryanto, dan Eka Triwahyuni

A. Alasan Utama Penggunaan BioetanolBioetanol, sebagai bahan bakar cair pengganti bahan bakar minyak (BBM) untuk transportasi, menjadi perhatian lebih dari 50 negara karena tiga alasan utama. Alasan pertama, penggunaan bioetanol dapat mengurangi pencemaran udara karena sisa pembakaran bioetanol menghasilkan gas rumah kaca/GRK (green house gases/GHG) yang jauh lebih kecil daripada pembakaran BBM. Para peneliti (Larsen, Johansen & Schramm 2009; Wang, Han, Dunn, & Cai, 2012) memperlihatkan bahwa pemanfaatan bioetanol G2 dari limbah pertanian jagung, switchgrass, dan miscanthus berhasil menurunkan life-cycle (field-to-wheels) GRK masing-masing sebe-sar 90%, 77%, dan 101% dibandingkan GRK dari pembakaran BBM. Dengan demikian, penggunaan bioetanol sebagai substitusi BBM akan mendukung tercapainya sasaran ke-XIII dalam tujuan pembangunan berkelanjutan (sustainable development goals/SDG). Tantangan ini berkaitan dengan climate action atau mengurangi polusi udara untuk menghadapi perubahan iklim.


Alasan kedua, penggunaan bioetanol dapat menggerakkan ekonomi negara penghasil bioetanol tersebut. Bioetanol dapat di-buat dari berbagai jenis biomassa, baik yang berasal dari tanaman pangan (bioetanol G1) maupun dari biomassa lignoselulosa (bio-etanol G2). Bioetanol G2 menggunakan bahan baku biomassa ligno selulosa, misalnya limbah pertanian, limbah perkebunan, sisa pengolahan hasil hutan, atau dari tumbuhan lain yang belum termanfaatkan optimal seperti berbagai jenis rumput-rumputan, sorgum dan sebagainya. Biomassa lignoselulosa dalam berbagai bentuk limbah terdapat di semua negara sehingga produksi bio-etanol G2 dapat dilakukan dengan teknologi yang sesuai dengan jenis biomassa potential yang tersedia di negara tersebut. Oleh karena itu, produksi bioetanol G2 dengan memanfaatkan limbah biomassa lignoselulosa dapat menggerakkan sektor pertanian dan perkebunan serta membuka lapangan kerja, dan akhirnya mengge-rakkan perekonomian di negara yang bersangkutan.

Ketiga, penggunaan bioetanol dapat mengurangi ketergantung-an pada BBM. Etanol sudah lama digunakan sebagai campuran bahan bakar kendaraan, tetapi penggunaannya masih sangat ter-batas karena energi hasil pembakaran etanol sebesar 21,1 MJ/L lebih rendah daripada energi pembakaran BBM yang sebesar 30–33 MJ/L (Sementa, Vaglieco, & Catapano, 2012). Di samping itu, sifat etanol yang higroskopis dapat menimbulkan kerusakan pada bagian mesin, menyebabkan penggunaannya masih terbatas. Namun, etanol memberikan nilai oktan (research octane number/RON) yang lebih tinggi (110) dibandingkan nilai oktan BBM, yakni 95 (Turner, Xu, Cracknell, Natarajan, & Chen, 2011). Tingginya nilai oktan ini mendukung penggunaan etanol sebagai bahan bakar kendaraan.

Perkembangan Tekno-Ekonomi ... 257

Saat ini, produksi bioetanol G2 untuk keperluan bahan bakar kendaraan menjadi perhatian produsen di banyak negara. Produksi bioetanol ini juga menjadi topik kerja sama lembaga riset dan perguruan tinggi antarnegara. Bab ini memaparkan tiga hal pokok terkait bioetanol G2. Pertama, perkembangan kegiatan penelitian dan pengembangan di dalam dan luar negeri. Bagian ini memba-has kerja sama, bahan baku yang dipakai, produk hasil penelitian berupa publikasi, dan perkembangan paten. Kedua, penelaahan terkait tekno-ekonomi. Bahasan ini mencakup sarana litbang dan produksi berupa pembangunan pilot plant maupun demo plant, serta perkembangan industri di berbagai negara. Ketiga, contoh kebijakan berbagai negara dalam upaya mendukung pemanfaatan bioetanol sebagai bahan bakar untuk transportasi darat. Sebagai perbandingan, disampaikan pula hasil Pusat Penelitian Kimia LIPI dalam pengembangan bioetanol G2 untuk bahan bakar. Berbagai gambaran ini diharapkan dapat menjadi pembanding bagi peneli-tian dan pengembangan bioetanol G2 di dalam negeri dan masukan bagi pembuat kebijakan.

B. Kebijakan Pemanfaatan dan Perkembangan Riset Bioetanol G2 sebagai Bahan Bakar di Indonesia

Sejak tahun 2006, Pemerintah Indonesia telah mencanangkan akan memperbesar peran energi terbarukan dalam memenuhi kebu tuhan energi di dalam negeri. Untuk mencapai target yang di rencanakan, pemerintah mengeluarkan kebijakan yang akan men dorong peningkatan penggunaan sumber energi terbarukan dengan memanfaatkan berbagai kemampuan, baik SDM, teknologi, maupun bahan baku, yang terdapat di dalam negeri.


Tabel 9.1 Rencana Penggunaan Etanol dalam Campuran BBM

April 2015

Jan 2016

Jan 2020

Jan 2025

Keterangan

Rumah Tangga - - - - saat ini tidak ditentukan

Usaha: Mikro, Perikanan, Pertanian Transportasi dan Jasa Pelayanan Umum (PSO).

1% 2% 5% 20% terhadap kebutuhan total

Transpor Non-Public Service Obligation

2% 5% 10% 20% Sda

Industri dan Komersial 2% 5% 10% 20% SdaPembangkit listrik - - - - saat ini tidak

ditentukanSumber : Menteri ESDM (2015). Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral

Republik Indonesia No. 12 Tahun 2015 tentang Perubahan Ketiga atas Permen ESDM No 32 tahun 2008 tentang Penyediaan, Pemanfaatan, Tata Niaga BBN sebagai Bahan Bakar Lain

1. Peraturan Penggunaan Etanol sebagai Bahan Bakar Pemerintah melalui Peraturan Presiden (Perpres) Nomor 5 Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional menargetkan bahan bakar nabati (BBN) akan memenuhi 5% kebutuhan energi nasional pada 2025. Permen ESDM No. 12 Tahun 2015 tentang penahapan kewa-jiban minimal pemanfaatan bioetanol sebagai campuran BBM un-tuk transportasi menyatakan bahwa secara bertahap pemanfaatan bioetanol sebagai campuran BBM akan dinaikkan secara bertahap mulai 2% (E2) pada 2015 hingga 20% (E20) pada 2025, seperti diperlihatkan dalam Tabel 9.1

Meskipun sudah ada Permen ESDM tersebut, sampai akhir tahun 2017 rencana ini belum terealisasi. Pada Oktober 2017, Peme rintah melalui Kementerian ESDM, merencanakan penggu-naan campuran 2% etanol dalam BBM yang dimulai pada Januari 2018 (Purwanto, 2017).


2. Gambaran Produksi Bioetanol dan Potensi Pasar Bioetanol Bahan Bakar

Sampai saat ini, bioetanol yang diproduksi oleh industri di Indonesia adalah bioetanol G1 yang dibuat dari ubi kayu atau tetes tebu. Pada 2018, jagung mulai dimanfaatkan oleh industri sebagai bahan baku bioetanol ("Molindo produksi etanol", 2018). Soerawidjaja (2013) mengungkapkan bahwa kapasitas produksi berbagai industri bio-etanol bahan bakar di Indonesia sekitar 0,42 juta kilo liter (kL). Kapasitas produksi dalam negeri, sampai tahun 2016, hampir tidak berubah (Abdi, Wright, & Rahmanulloh, 2017). Apabila Permen ESDM No. 12/2015 dijalankan, kebutuhan bioetanol bahan bakar pada 2018 berkisar antara 0,7–0,9 juta kl (Soerawidjaja, 2013). Perkiraan ini didasarkan pada keperluan BBM tahun 2018, yaitu sebesar 34,9 juta kL, dan campuran bioetanol serta BBM yang di targetkan adalah E2. Prediksi ini memperlihatkan bahwa untuk memenuhi kebutuhan di dalam negeri, masih diperlukan pening-katan kapasitas produksi bioetanol bahan bakar karena kapasitas industri yang ada saat ini hanya mampu mengisi kurang lebih 60% kebutuhan nasional.

Selain kecilnya kapasitas industri bioetanol bahan bakar, untuk memenuhi kebutuhan bioetanol nasional, produsen etanol juga menghadapi tantangan ketersediaan bahan baku. Ubi kayu, selain untuk pangan, juga dipakai sebagai bahan baku industri pakan dan untuk keperluan industri tapioka yang menghasilkan bahan baku bagi industri-industri kimia, farmasi, kosmetika, dan tekstil (Markum, 2009). Hal ini menyebabkan terjadinya kompetisi peng-gunaan ubi kayu untuk bahan pangan, pakan, dan bahan kimia atau energi. Akibat kompetisi ini, industri kesulitan untuk mendapatkan ubi kayu. Pada akhir 2013, sebuah industri bioetanol G1, yaitu PT Medco Ethanol Lampung di Lampung, menghentikan proses produksi karena kesulitan mendapatkan ubi kayu dan tetes tebu


(Jatmiko, 2013). Pada 2017, banyak pabrik yang juga kesulitan mendapatkan ubi kayu untuk memproduksi tapioka (Heriyanto, 2017).

Tetes tebu, selain digunakan untuk produksi bioetanol, juga diekspor ke 23 negara dengan nilai dan jumlah yang bervariasi se-cara signifikan setiap tahunnya. Sebagai gambaran, pada 2015 nilai ekspor tetes sekitar 0,12 US$ per kg atau Rp1.600 per kg, dengan jumlah ekspor 439 ribu ton. Jumlah ini jauh lebih kecil daripada jumlah ekspor tahun 2013 dan 2014 (BPS, 2015). Selain diekspor, tetes tebu juga digunakan untuk berbagai industri di dalam negeri, misalnya industri pakan, makanan, dan kimia. Oleh karena itu, penggunaan tetes tebu untuk produksi bioetanol bahan bakar juga akan mengakibatkan kompetisi dengan kebutuhan bahan baku bagi industri lain.

Berdasarkan kebijakan pemerintah yang merencanakan pe-ning katan penggunaan bioetanol hingga E20 pada 2025 (Tabel 9.1), kebutuhan bioetanol pada masa mendatang akan semakin besar. Jika penggunaan etanol dalam BBM menjadi E10 pada 2020, dan asumsi penggunaan BBM meningkat 5% per tahun, kebutuhan bioetanol pada 2020 diperkirakan sekitar 5,3 juta kL/tahun. Bila penggunaan BBM E20 pada 2025, dengan asumsi penggunaan BBM juga meningkat 5% per tahun, kebutuhan bioetanol pada 2025 diperkirakan sekitar 7,9 juta kL per tahun, atau sekitar 19 kali kapasitas industri bioetanol bahan bakar saat ini. Jika dibandingkan dengan kebutuhan bioetanol tersebut, kapasitas industri bioetanol bahan bakar di dalam negeri masih sangat kecil. Perbedaan antara proyeksi kebutuhan dan kapasitas produksi ini memberikan peluang untuk membangun industri bioetanol yang tidak menggunakan bahan pangan, tetapi menggunakan biomassa lignoselulosa yang berbentuk limbah. Hal inilah yang mendorong berbagai perguruan tinggi dan lembaga litbang di Indonesia melakukan riset untuk pembuatan bioetanol G2 sebagai bahan bakar.


3. Perkembangan Penelitian dan Pengembangan Bioetanol G2

Penelitian pembuatan bioetanol G2 telah dilakukan oleh berbagai perguruan tinggi dan lembaga penelitian, baik lembaga pemerintah maupun pihak lain di dalam negeri. Berbagai biomassa lignoselulosa yang digunakan untuk pembuatan bioetanol di berbagai kegiatan penelitian tersebut diperlihatkan pada Tabel 9.2.

Tabel 9.2 Contoh Penelitian Biomassa Lignoselulosa sebagai Bahan Baku Bioetanol G2 di Indonesia

Bahan baku Potensi (*)

Kandungan (%, bahan baku kering)

ReferensiHemi

selulosa Selulosa Lignin

TKS 10 juta ton

kering /tahun

28,2 14,8 36,6 (Falah, 2012; Sudiyani, Styarini, & Triwahyuni, 2013)

Ampas Tebu (Bagasse)

Nd 32–48 19–24 23–32 (Hermiati, Mangunwidjaja, Sunarti, & Suparno, 2010; Maryana, Ma’rifatun, Wheni, Satriyo, & Rizal, 2014)

Bagas Sorgum Nd 27 25 11 (Ambarita, 2017; Sudiyani dkk., 2016)

Sampah Kota Nd Nd Nd Nd (Fajar, 2008)Jerami, 70 juta

ton31,3 18,1 7,7 (Dehani, Argo, &

Yulianingsih, 2013)Eceng gondok Nd 18,2 48,7 Nd (Merina &

Trihadiningrum, 2011)Limbah rumput laut

Nd Nd Nd Nd (Wiratmaja, Bagus, Kusuma, & Winaya, 2011)

Kulit buah-buahan (jeruk, durian, pisang, pepaya)

Nd Nd Nd Nd (Poetranto, 2012; Siregar, 2013; Wahyudi, Wibowo, Rais, & Kusumawardani, 2012)


Bahan baku Potensi (*)

Kandungan (%, bahan baku kering)

ReferensiHemi

selulosa Selulosa Lignin

Alang-alang 8,5 juta ha

48,1 28,6 21,4 (Osvaldo, Putra & Faizal, 2012)

Nipah Nd Nd Nd Nd (Kuswandi, 2012)Sabut Kelapa 1,7 juta

ton per tahun

Nd Nd Nd (Anggorowati & Dewi, 2013)

Limbah jagung (tongkol, dan lain-lain), (Data potensi 2008)

Limbah 240 juta ton/

tahun

35 28 16-21 (Susilowati, 2011).

Buah Bintaro Nd Nd Nd Nd (Iman & Handoko, 2011)

Bonggol Pisang Nd Nd Nd Nd (Prasetyo, 2012)

Rumput Gajah Nd Nd 40,85 Nd (Nasution, Sari, & Hasibuan, 2016)

Kayu Sengon Nd Nd 47,16 26,3 (Komarayati, Djarwanto, dan Winarni, 2014; Fajriutami, Fatriasari & Hermiati, 2012).

Keterangan:(*): Data potensi sesuai tahun yang dinyatakan dalam sumber acuan, tanpa diolah

kembali. Nd: tidak ada data. TKS: tandan kosong sawit

Sumber: Falah (2012); Sudiyani dkk. (2013); Hermiati dkk. (2010); Maryana dkk. (2014); Ambarita (2017); Sudiyani dkk. (2016); Fajar (2008); Dehani dkk. (2013); Merina dan Trihadiningrum (2011); Wiratmaja dkk. (2011); Poetranto (2012); Siregar (2013); Wahyudi dkk. (2012); Osvaldo dkk. (2012); Kuswandi (2012); Anggorowati dan Dewi (2013); Susilowati (2011); Iman dan Handoko (2011); Prasetyo (2012); Nasution dkk. (2016); Komarayati dkk. (2014); Fajriutami dkk. (2012).


Hampir semua penelitian tersebut dilakukan pada skala kecil di laboratorium dengan tujuan mencari kondisi proses yang sesuai untuk mengubah biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol. Dari berbagai penelitian tersebut belum ada penelitian yang memperli-hatkan, apakah proses yang digunakan dapat menghasilkan bio-etanol yang ekonomis jika diproduksi pada skala industri. Untuk bisa dievaluasi keunggulan teknologi yang dihasilkan, baik secara teknis maupun ekonomis, kegiatan riset skala kecil harus diangkat ke skala lebih besar, yakni skala pilot maupun industri percobaan (demo plant). Kajian-kajian pada skala pilot maupun demo plant masih sangat dibutuhkan untuk melihat apakah proses yang dihasil-kan prospektif dari sudut pandang tekno-ekonomi. Sampai 2017, baru ada satu pilot plant yang berdiri di Pusat Penelitian Kimia LIPI, di kawasan Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (Puspiptek) Serpong, Banten. Dengan demikian, belum diketahui apakah berbagai bahan baku biomassa yang dicantumkan pada Tabel 9.2 tersebut dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol secara berkelanjutan dan ekonomis.

Penelitian tentang pembuatan bioetanol dari berbagai jenis biomassa lignoselulosa dalam periode 2006 sampai September 2016 dilakukan oleh 23 perguruan tinggi negeri dan swasta serta lembaga litbang. Salah satu produk pentingnya adalah 81 orang lulusan dengan berbagai tingkat pendidikan mulai dari D3, S1, S2, dan S3, yang masing-masing berjumlah 8, 44, 21 dan 8 orang. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam negeri terdapat cukup banyak tenaga terdidik yang memahami proses konversi biomassa lignose-lulosa menjadi bioetanol dan memahami pentingnya pemanfaatan biomassa ini menjadi sumber energi terbarukan di masa depan.

Data publikasi yang dapat diakses melalui berbagai laman, yang berisi jurnal maupun prosiding, memperlihatkan bahwa pe ne litian pembuatan bioetanol G2 dari berbagai lembaga litbang


Tabel 9.3 Publikasi Ilmiah Bioetanol G2 dari Berbagai Perguruan Tinggi dan Lembaga Litbang pada Periode 2008–2015

No Instansi BukuJurnal Prosiding

TotalI N I N

1 Publikasi LIPI (Penelitian Proses) - 5 7 15 15 42

2 Publikasi Perguruan Tinggi dan lembaga Riset lain 2 5 22 4 6 39

Total 2 10 29 19 21 81

Keterangan: I = Internasional, N = Nasional.

Sumber: Data dikumpulkan dari berbagai situs perguruan tinggi dan lembaga litbang di Indonesia yang diolah

dan perguruan tinggi pada periode 2008–2015 menghasilkan 81 buah publikasi ilmiah dengan distribusi seperti pada Tabel 9.3. Dengan memperhatikan potensi biomassa lignoselulosa di dalam negeri dan potensi pasar bioetanol di masa depan, penelitian dan publikasi ilmiah terkait bioetanol G2 ini selayaknya ditingkatkan agar masyarakat, terutama praktisi industri, dapat memahami po tensi yang ada dan capaian kegiatan-kegiatan riset di bidang ini.

C. Perkembangan Hasil Penelitian dan Industri di Tataran Global

Pembuatan bioetanol untuk keperluan bahan bakar kendaraan telah menjadi perhatian berbagai lembaga litbang di banyak negara sejak dulu. Akan tetapi, karena masing-masing memiliki kelebihan dan keterbatasan, misalnya negara yang memiliki banyak variasi bahan baku potensial tetapi tidak memiliki teknologi atau seba-liknya, muncul berbagai kerja sama, baik antarlembaga maupun antarnegara. Kerja sama tersebut menghasilkan berbagai bentuk teknologi, dan kemudian berkembang menjadi industri bio etanol generasi kedua.


1. Kerja sama Penelitian di Tataran GlobalKerja sama di antara institusi litbang, perguruan tinggi, dan industri, khususnya untuk bioetanol G2 di tataran global, menjadi perhatian peneliti dan pemerhati bidang energi terbarukan. Banyaknya kerja sama ini disebabkan beberapa hal, yaitu peningkatan kebutuhan sumber energi bersih dan terbarukan penyubstitusi BBM; semakin sedikit penemuan cadangan baru minyak bumi; variasi dan potensi biomassa lignoselulosa sebagai bahan baku tersedia di berbagai ne-gara; serta variasi kemungkinan teknologi pengolahan yang mung-kin diterapkan. Di samping itu, tuntutan produktivitas yang tinggi mendorong terjalinnya kerja sama penelitian dan pengembangan di berbagai bidang untuk menghasilkan bioetanol G2 dengan biaya produksi yang kompetitif.

Kajian publikasi ilmiah yang terbit pada berbagai jurnal inter-nasional, menggunakan Institute for Scientific Information (ISI) Web of Science Database dari Thomson Reuters, menunjukkan bahwa sampai 2015 penelitian dan pemanfatan berbagai jenis biomassa lignoselulosa untuk bahan baku bioetanol telah dilakukan oleh berbagai industri, lembaga riset, dan perguruan tinggi di lebih dari 50 negara (de Souza, de Moraes, Poz, & da Silveira, 2015). Amerika Serikat merupakan negara yang paling banyak melakukan kerja sama penelitian antarnegara terkait bidang ini. Gambar 9.1 memperlihatkan jejaring kerja sama antarnegara dalam penelitian dan pengembangan bioetanol G2. Garis-garis yang menghubung-kan negara dalam gambar tersebut mengindikasikan jumlah kerja sama antara negara. Semakin tebal garis, mengindikasikan kerja sama yang semakin banyak. Dari gambar diketahui bahwa Amerika Serikat, China, Kanada, Inggris, dan Jerman adalah negara-negara yang sangat aktif melakukan kerja sama-kerja sama dalam bidang bioetanol G2.


Sumber: de Souza dkk. (2015)

Gambar 9.1 Kerja Sama Berbagai Negara dalam Penelitian dan Pengembangan Bioetanol G2 (dipublikasi dengan izin dari Springer).

Area penelitian yang banyak dikerja samakan antarnegara dan diukur dari jumlah publikasi yang dihasilkan berada pada tiga area, yaitu bahan baku, proses pengolahan dan mikrobiologi seperti terlihat dalam Tabel 9.4. Dalam area mikrobiologi, terdapat empat jenis mikrob yang paling banyak digunakan oleh berbagai lembaga litbang dan industri di berbagai negara untuk proses pembuatan bioetanol G2. Jerami gandum, jerami padi, limbah jagung, dan kayu lunak merupakan bahan baku yang paling banyak dikerja samakan dan potensial untuk diubah menjadi bioetanol bahan bakar. Dengan mempertimbangkan bahwa di Indonesia, di samping limbah sawit, terdapat jerami padi serta limbah pengolahan jagung yang sangat besar jumlahnya (Tabel 9.2), penelaahan atas tiga limbah biomassa ini perlu menjadi perhatian untuk menjadi bahan baku bioetanol pada masa mendatang.


Tabel 9.4. Area dan Bidang Penelitian Terbanyak yang Dikerjasamakan Antarnegara (*)

Area kerja sama Bidang Penelitian Keterangan

Mikrobiologi

a. Saccharomyces cerevisiae

Untuk mendapatkan mikrob yang paling efektif

b. Escherichia colic. Pichia stipitisd. Trichoderma reesei

Unit Proses

a. Perlakuan awal

Proses yang efisien dan ramah lingkungan

b. Hidrolisis enzimatikc. Sakarifikasi simultand. Fermentasi

Bahan baku

a. Jerami gandum Biomassa lignoselulosa yang banyak tersedia dan potensial untuk digunakan di berbagai negara yang bekerja sama

b. Limbah jagungc. Jerami padid. Kayu lunak

Sumber: diolah kembali dari de Souza dkk. (2015)

2. Publikasi dan Paten Bioetanol G2 Selain de Souza dkk. (2015), para peneliti China, berdasarkan pangkalan data dari Science Citation Index (SCI) dari Web of Science, juga melakukan kajian bibliografi terhadap publikasi hasil riset dalam pemanfaatan biomassa untuk energi (Mao, Zou, Chen, Du, & Zuo, 2015). Mao dkk. (2015), menyebutkan bahwa publikasi hasil kerja sama antarnegara terkait etanol sebagai bahan bakar yang terbit antara 1998–2013 berjumlah 6.639 buah dari 33.072 artikel di jurnal ilmiah yang terkait energi biomassa. Dalam rangka pemanfaatan biomassa untuk energi, penelitian lain yang terkait meliputi bidang biogas, pirolisis dan gasifikasi serta pembakaran langsung. Negara-negara yang paling banyak berkontribusi dalam publikasi ilmiah diperlihatkan dalam Tabel 9.5. Amerika Serikat, China, dan Brasil adalah tiga negara penghasil publikasi ilmiah


Tabel 9.5 Negara Penghasil Publikasi Ilmiah Terbanyak Terkait Bioetanol G2(*)

Negara Jumlah Publikasi

%(a)

Total Nasional

(b)%

Kerja sama

(c)%

Amerika Serikat 1559 22,44 1190 76,33 369 23,67China 684 9,84 505 73,83 179 26,17Brasil 347 4,99 257 74,06 90 25,94Jepang 332 4,78 249 75,00 83 25,00India 299 4,30 250 83,61 49 16.39Jerman 290 4,17 169 58,28 121 41.72Kanada 275 3,96 178 64,73 97 35,27Inggris 244 3,51 133 54,51 111 45,49Spanyol 240 3,45 169 70,42 71 29,58Swedia 231 3,32 116 50,22 115 49,78Sub Total 4501 64,76Sub Total 6639 (**)

Keterangan:(*) Data diolah dari de Souza dkk. (2015). Sub total: 4501, hanya publikasi bioetanol. (**) Data dari: Mao dkk. (2015). Subtotal 6639, publikasi terkait bioetanol dan etanol

bahan bakar. (a) : % dari total publikasi dalam bidang bioetanol G2 dari berbagai negara berdasarkan

data pada Institute for Scientific Information (ISI) Web of Science, 2012.(b) : Publikasi hasil dari kegiatan penelitian di dalam negara masing-masing.(c) : Publikasi dari hasil kerja sama antarnegara.Sumber: de Souza dkk. (2015); Mao dkk. (2015)

terbanyak. Ketiga negara ini juga merupakan negara produsen dan peng guna bioetanol terbesar di dunia, seperti yang diperlihatkan pada Bab 2. Hal ini mengindikasikan adanya kaitan langsung antara keberhasilan mengembangkan industri bioetanol dan riset dalam bidang bioetanol.

Di samping menghasilkan publikasi-publikasi ilmiah, berbagai kerja sama dalam penelitian bioetanol G2 juga menghasilkan ke majuan teknologi yang dilindungi berupa paten. Dari empat generasi bioetanol (G1 sampai G4) pada 1970–2009, bioetanol G2


merupakan penelitian yang paling banyak menghasilkan tek nologi baru yang dipatenkan (CAS, 2010).

Teknologi pembuatan bioetanol G2 telah menjadi perhatian para peneliti sejak awal 1970-an, dan penemuan teknologi baru di bidang ini berkembang pesat sejak akhir 1990-an. Apabila periode waktu ini dikaitkan dengan peristiwa krisis harga minyak bumi, terlihat adanya kaitan antara peningkatan jumlah paten bio etanol dan waktu terjadinya krisis harga minyak bumi. Krisis harga mi nyak bumi terjadi pada 1970-an saat harga minyak melonjak 4 sampai 5 kali lipat, dari sekitar 1,2–2,7 US$ per barel pada periode sebelum 1970–1973 menjadi sekitar 11–12,8 dolar per barel pada periode 1974–1978. Setelah itu, terjadi lagi krisis harga minyak bumi kedua. Saat itu terjadi lompatan harga hingga 4–5 kali lipat, dari sekitar 18–20 US$ per barel pada akhir 1990-an menjadi sekitar 100-an US$ per barel pada 2011 (Statista, 2018). Seiring dengan perubahan harga BBM yang signifikan, upaya pe man faatan bioetanol menjadi bahan bakar penyubstitusi BBM men jadi perhatian banyak peneliti. Semakin mahal harga minyak bumi, semakin banyak upaya pencari an teknologi untuk membuat bioetanol. Hal ini tergambar dari kecenderungan perkembangan jumlah paten yang dihasilkan. Gambaran perubahan harga (rata-rata) minyak mentah dunia dibandingkan perkembangan jumlah paten bioetanol G2 dapat dilihat pada Gambar 9.2. Meskipun ada kelambatan (time lag), terdapat kecenderungan yang mirip antara perkembangan harga minyak mentah dan perkembangan teknologi yang dihasilkan yang tergambar dari jumlah paten bioetanol G2.

Penurunan harga minyak bumi yang cukup drastis pada periode 2011–2016, dari 107 US$ per barel menjadi 37 US$ per barel pada Juni 2016 (Statista, 2018), dan harga minyak yang diperkirakan akan mencapai 82 US$ per barel pada 2025 (World Bank commodities price forecast (nominal US dollars), 2016), diperkirakan tidak akan


Keterangan:

___ : jumlah paten bioetanol G2, % dari jumlah total paten etanol pada tahun terkait (CAS, 2010)

-----: harga minyak mentah rata-rata per tahun dari data OPEC (Statista, 2018)

Sumber: CAS (2010); Statista (2018)

Gambar 9.2 Perbandingan Perkembangan Harga Minyak Dunia dan Jumlah Paten Bioetanol G2

menurunkan jumlah penelitian dan pengembangan bioetanol di berbagai negara karena beberapa alasan antara lain:1) Investasi yang telah ditanam untuk kajian bioetanol cukup

besar. Hal ini tergambar dari banyaknya sarana pilot maupun demo plant bioetanol G2 berskala besar, baik yang baru beroperasi maupun yang sedang dibangun, seperti tercantum dalam Tabel 9.6 dan 9.7;

2) Bahan baku biomassa lignoselulosa tersedia dalam jumlah melimpah di berbagai negara;

3) Perubahan iklim global dan kesadaran lingkungan yang semakin tinggi memaksa berbagai negara untuk menggunakan bahan bakar yang ramah lingkungan;


4) Cadangan minyak bumi yang semakin sedikit sehingga ber-bagai negara mencari alternatif bahan bakar lain untuk trans-portasi.

Berbagai alasan tersebut menyebabkan investasi untuk riset bioetanol G2 terus dilakukan, bahkan telah dibangun dan beroperasi industri bioetanol G2, seperti tercantum dalam Tabel 9.8.

3. Pilot dan Demo Plant Bioetanol G2 di Tataran GlobalSejak awal tahun 2006, banyak negara membangun sarana riset berupa pilot plant dan demo plant untuk menelaah kelayakan tekno-ekonomi produksi bioetanol G2. Tabel 9.6 dan 9.7 memperlihatkan beberapa contoh pilot maupun demo plant pembuatan bioetanol G2 yang terdapat di beberapa negara dan bahan baku yang digunakan.

Ada dua hal pokok yang membedakan antara proses pembua-tan bioetanol skala pilot dan skala demo. Pertama, kegiatan skala pilot belum kontinu atau tidak beroperasi terus-menerus dalam setahun. Kedua, kapasitas pilot plant, berdasarkan jumlah produk, umumnya lebih kecil daripada skala demo. Sementara itu, demo plant beroperasi terus-menerus seperti pada industri komersial meskipun masih dilakukan kajian-kajian tekno-ekonomi.

4. Perkembangan Industri Bioetanol G2 di Tataran Global

Beberapa negara mulai membangun industri untuk produksi bioetanol G2 secara komersial sejak 2012. Pembangunan industri komersial ini menunjukkan bahwa di beberapa negara, teknologi proses pembuatan bioetanol G2 telah memenuhi syarat komersial, baik secara teknis maupun ekonomis. Tabel 9.8 memperlihatkan industri yang mulai beroperasi sejak 2012. Dalam jangka waktu 6 tahun (2012–2018) telah dan sedang dibangun 17 industri bioetanol G2 yang memanfaatkan berbagai jenis biomassa lignoselulosa.


Tabel 9.6 Pilot Plant Bioetanol G2 di Beberapa Negara

No. Negara /Lokasi Bahan BakuKapa sitas(Juta L/tahun)

Nama Perusahaan Keterangan

1 Amerika Serikat:Madison, Illinois

Campuran dari biomassa kayu dan sampah kota

n.d COSKATA

Verobeach, Florida

Campuran dari limbah sitrus dan limbah biomassa lignoselulosa, termasuk limbah pertamanan.

30,7 INEOSBio

Kinross, Michigan

Kayu dan potongan (wood chips)

0,77 Mascoma

Emmertsberg, (Iowa)

Limbah jagung 0,077 POET-DS (Pilot: 2008–2013)

York, (Nebraska)

Limbah jagung, dan limbah pertanian serta limbah pengolahan kayu

0,077 Abengoa

2 Denmark Berbagai limbah pertanian

60 kg/jam(kapasitas

pre treatment)

Biogasol Maxifuels

(Pilot, sejak 2006)

3 Italia Jerami, Arundo Donax, dan biomas lignoselosa lainnya.

250 kg/hari Chemtex/BETA

(Pilot, sejak 2009)

4 Jerman Jerami gandum, dan limbah pertanian lain

1 ton/tahun(produk)

Clariant-SunLiquid

(Pilot sejak 2009)

5 Spanyol Sampah kota (Limbah organik)

3,8 IMECAL

6 Perancis:Pomacle-Bazancourt

Berbagai biomassa lignoselulosa

0,18 Procetol 2G (Pilot, sejak 2011)


No. Negara /Lokasi Bahan BakuKapa sitas(Juta L/tahun)


7 Norwegia:Blomsterdalen

biomassa lignoselulosa (terutama kayu spruce dan pinus).

75 kg/jam Weyland (Pilot sejak 2010)

Sumber: Diolah dari dari Biozio (2010); Lane (2015a); Lane (2015b); Losordo dkk. (2016); Peplow (2014); Statista (2018).

Tabel 9.7 Demo Plant Bioetanol G2 di Berbagai Negara

No. Negara /Lokasi Bahan Baku Kapasitas(juta L/tahun)


1 Spanyol Jerami gandum dan sereal lainnya.

5 Abengoa Demo sejak 2009

2 Denmark Rumput, jerami dan limbah taman (garden wastes)

5 Bornbiofuel2

Jerami Gandum 5,5 INBICON-Dong Energy

Demo, sejak 2009

3 Finlandia Biomassa lignoselulosa yang bukan kayu.

6,25 Chempolis

4 Italia Jerami, rumput (Arundo donax), dan biomassa lignoselulosa lain.

50 FP7-Biolyfe

5 Jerman Jerami gandum, dan limbah pertanian lain

1,25 Clariant-SunLiquid

Demo, sejak 2012

6 India, Madhya Pradesh

Jerami padi dan sekam

-nd- (dalam Gulf Petroleum Oil)

Demo sejak 2015Investasi: 157 juta US$


Tabel 9.8 menunjukkan bahwa berbagai jenis biomassa lignose-lulosa yang terdapat di dalam negeri masing-masing negara telah dimanfaatkan untuk produksi bioetanol G2 pada skala komersial. Pengalaman berbagai negara ini perlu menjadi perhatian peneliti di Indonesia untuk menelaah biomassa yang potensial agar tidak hanya bisa diproses untuk menjadi bioetanol, tetapi juga tersedia dalam jumlah yang cukup untuk skala industri komersial, dan bisa dikumpulkan dengan biaya yang memungkinkan untuk produksi.

No. Negara /Lokasi Bahan Baku Kapasitas(juta L/tahun)


7 Amerika Serikat. Soperton, Georgia

Sisa pengolahan hutan (forest residue)

15,4 Lanza Tech

Upton, Wyoming

Berbagai biomassa lignoselulosa

1–2 ton (bahan baku kering)/jam

Blue Sugars

Jennings, Louisiana

Biomassa lignoselulosa

5,4 BP BioFuels

Vonore, Tennessee

Limbah jagung, rumput gajah (switchgrass)

-nd- Dupont Biofuels

30 MGY (target skala komersial)

Anaheim, California

Campuran kayu, bagas tebu dan limbah (pengolahan) hasil hutan

15 Bluefire Renewables

Berasal dari Pilot sejak 2003

8 Kanada (Westbury, Quebec)

Limbah kota organik

-nd- Enerkem Demo,Juni 2012

Sumber: Diolah dari Biozio (2010); Lane (2015a); Losordo dkk. (2016); Peplow (2014), dan Statista (2018)


Tabe

l 9.8

Indu

stri

Kom

ersia

l Bio

etan

ol G

2 di

Ber

baga

i Neg

ara

No.

Neg

ara

/Lok

asi

Baha

n Ba

kuKa

pasit

as(Ju

ta Li

ter/

tahu

n)N

ama

Peru

saha

an(d

an p

atne

r ker

ja sa

ma)

Kete

rang

an

1Am

erik

a Se

rikat

Clin

ton,

N

orth

Car

olin

a

Arun

do, S

witc

hgra

ss,

Misc

anth

us F

ibre

So

rghu

m, A

gricu

lture

re

sidue

75,6

Chem

tec/

Beta

Ren

ewab

les

Hugo

ton

Limba

h ja

gung

dan

ta

nam

an p

anga

n la

inny

a94

,5Ab

engo

a Bi

oene

rgy

Inve

stas

i: 44

4,6

juta

US$

. Co

mm

is si o

n ing

: Okt

ober

20

15Em

mer

sbur

g,Io

wa

Limba

h ja

gung

75,6

POET

-DSM

Inve

stas

i: 27

5 ju

ta U

S$O

pera

si: S

epte

mbe

r 201

4

Nev

ada

Limba

h ja

gung

113,

4Du

Pont

Inve

stas

i: 27

6 ju

ta U

S$.

Ope

rasi

Okt

ober

201

5Ca

lifor

nia

Limba

h ja

gung

226,

8Pa

cific

Eth

anol

(ber

sam

a Ed

eniq

Pat

hway

Tech

nolo

gy)

Kom

ersia

l mul

ai 2

015,

pr

oduk

si pe

rtam

a 2,

9 ju

ta L/

tahu

nVe

ro B

each

, Fl

orid

aSi

sa p

erta

man

an d

an

sam

pah

kota

org

anik

30,2

INEO

S Bi

o an

d N

ew P

lane

t En

ergy

M

ulai

ope

rasi

Juli

2013

2Au

stra

lia,

Que

ensla

ndBa

gase

dar

i teb

u da

n so

rgum

225

(kap

asita

s un

tuk

taha

p pe

rtam

a)

Petla

nd B

io-e

nerg

y, da

n Be

ta

Rene

wab

les

Kons

truk

si: Ju

ni 2

015,

in

vest

asi u

ntuk

taha

p I:

250

juta

US$

Targ

et :

kapa

sitas

tota

l 1

mili

ar L/

tahu

n


No.

Neg

ara

/Lok

asi

Baha

n Ba

kuKa

pasit

as(Ju

ta Li

ter/

tahu

n)N

ama

Peru

saha

an(d

an p

atne

r ker

ja sa

ma)

Kete

rang

an

3An

gola

Baga

se d

an te

tes t

ebu

6 (u

ntuk

tahu

n pe

rtam

a)Ke

rja sa

ma

deng

an

Ode

breg

h, B

rasil

iaSe

mi k

omer

sial,

Com

miss

i oni

ng: J

uni 2

015,

Inve

stas

i: 75

0 ju

ta U

S$

Prod

uk :

Cam

pura

n Bi

oeta

nol

G1 d

an G

24

Indi

aJe

ram

i pad

i dan

gan

dum

ndKe

rja sa

ma

anta

ra C

VC

Indi

a, N

ovoz

ymes

, Bet

a Re

new

able

s, di

duku

ng

Pem

erin

tah

Indi

a

Inve

stas

i (O

kt 2

015

) : 1

mili

ar U

S$

Indi

a (M

adhy

a Pr

ades

h)Se

kam

dan

Jera

mi p

adi

ndM

ilik

Gulf

Petr

oleu

m O

ilIn

vest

asi:

153

juta

US$

(mul

ai

2015

)5

Italia

, Cre

scen

tino

Jera

mi g

andu

m d

an

padi

, Gia

nt ca

ne (A

rund

o Do

nax)

283,

5Be

ta R

enew

able

s(be

r sam

a de

ngan

Nov

ozym

es m

engg

u-na

kan

PRO

ESA

Tech

nolo

gy)

Ope

rasi:

Okt

ober

201

3

6Br

asil:

Ala

goas

Berb

agai

lim

bah

tebu

: ba

gase

, dau

n, d

an

seba

gain

ya

84,5

Gran

bio

Cellu

losic

Eth

anol

pl

ant.

(Ker

ja sa

ma

deng

an B

eta

Rene

wab

le/B

io- c

hem

tex

Proe

sa Te

chno

logy

, N

ovoz

yme,

dan

DSM

Yeas

t)

Pabr

ik p

erta

ma

bero

pera

si Se

ptem

ber 2

014,

dan

pab

rik

kedu

a de

ngan

uku

ran

sam

a,

kons

truk

si m

ulai

Okt

ober

20

15

Sao

Paol

oLim

bah

tebu

dan

lim

bah

pert

ania

n la

in40

IOGE

N d

an R

AIZE

NBe

rope

rasi

form

al Ju

li 20

15(E

than

ol P

rodu

cer M

agaz

ine)


No.

Neg

ara

/Lok

asi

Baha

n Ba

kuKa

pasit

as(Ju

ta Li

ter/

tahu

n)N

ama

Peru

saha

an(d

an p

atne

r ker

ja sa

ma)

Kete

rang

an

7Ca

nada

, Ed

mon

ton

Limba

h pa

dat o

rgan

ik d

ari

sam

pah

kota

38En

erke

m A

lber

ta B

iofu

els,

Bero

pera

si, Ju

ni, 2

014.

2015

men

ghas

ilkan

bi

omet

anol

,20

17 m

engh

asilk

an b

ioet

anol

8Po

land

iaJe

ram

i gan

dum

dan

lim

bah

jagu

ng60

Bioa

gra

CEG

9Zi

mba

bwe

Sem

ua b

agia

n da

ri ub

i ka

yu (k

ulit

singk

ong,

ba

tang

, dsb

.) da

n sin

gkon

g.

120

Kerja

sam

a Su

nbird

, dan

Pe

mer

inta

h be

rdas

arka

n Te

knol

ogi d

ari I

nggr

is

Inve

stas

i: 15

0 ju

ta U

S$Pe

ngum

uman

inve

stas

i O

ktob

er 2

015

10Ro

man

ia (c

)Je

ram

i gan

dum

57,6

Tekn

olog

i mili

k Cl

aria

nt,

Jerm

anPe

mba

ngun

an d

imul

ai Ja

n.

2018

Sum

ber:

Dio

lah

dari

"Ene

rkem

alb

erta

bio

fuel

s" (2

017)

; "Pr

ojec

t Li

bert

y bi

orefi

nery

" (2

014)

; ETI

P Bi

oene

rgy

(201

8); L

ane

(201

5a, 2

017)

; Lo

sord

o dk

k. (2

016)

; Pep

low

(201

4); R

arba

ch (2

017)

; Voe

gele

(201

3); A

radh

ey d

an S

inde

lar

(201

7); S

tatis

ta (2

018)


D. Upaya-Upaya agar Biaya Bioetanol G2 Lebih Kompetitif

Kerja sama penelitian berbagai pihak seperti diperlihatkan sebe-lumnya telah menghasilkan berbagai kemajuan teknologi proses pembuat an bioetanol generasi dua. Akan tetapi, biaya produksi etanol lignoselulosa ini masih lebih tinggi daripada bioetanol gene-rasi satu. Oleh karena itu, perlu dilakukan berbagai upaya untuk menekan biaya produksi etanol lignoselulosa hingga bisa bersaing dengan biaya produksi bioetanol G1.

1. Integrasi Proses Untuk Menurunkan Biaya Produksi Bioetanol

Seperti yang dijelaskan pada bab sebelumnya, bioetanol di pasaran global saat ini dipenuhi oleh bioetanol G1. Akibatnya, harga bio-etanol di pasar dunia sangat ditentukan oleh biaya produksi etanol G1. Agar bioetanol G2 dapat masuk pasar, biaya produksi bioetanol G2 harus bersaing dengan harga bioetanol G1 di pasar dunia.

Sebagai produsen bioetanol terbesar dunia, Amerika Serikat menggunakan jagung sebagai bahan baku utama pembuatan bioetanol. Di pasar AS, dalam 10 tahun terakhir dari Januari 2007 sampai Mei 2017, harga etanol bervariasi antara 2,84–1,40 US$/galon atau sekitar Rp9.865–4.860/L (nilai tukar Rp13.300/ US$). Variasi harga etanol ini diperlihatkan dalam Gambar 9.3. Gam-bar ini memperlihatkan bahwa meskipun harga etanol di pasar AS bervariasi, dalam tujuh tahun terakhir (2010 sampai 2017) harga cenderung turun dari sekitar Rp9.800/L ke Rp4.600/L. Harga bioetanol G1 pada Juni 2017 sebesar Rp5.200/L. Perkembangan harga bioetanol G1 inilah yang menjadi perhatian dan acuan berba-gai pihak yang mengembangkan bioetanol G2 agar bisa kompetitif.


Sumber: Diolah dari CARD (2017)

Gambar 9.3 Harga Bioetanol dari Jagung di Pasar Amerika Serikat dalam 10 Tahun Terakhir

Dari berbagai hasil litbang (Johnson, 2016; Losordo dkk., 2016; Tao dkk., 2014) terlihat bahwa biaya produksi bioetanol G2 masih lebih tinggi daripada biaya produksi bioetanol G1. Hal ini disebabkan lebih panjangnya alur proses yang harus dilakukan dan lebih banyak bahan kimia pendukung untuk pembuatan G2. Biaya pemisahan lignin melalui proses pengolahan awal (pretreatment process) sebagai salah satu tahapan proses pembuatan bioetanol G2 membutuhkan biaya yang cukup besar. Biaya lain yang mahal dalam proses pembuatan G2 adalah biaya enzim untuk hidrolisis. Contoh perbandingan komposisi biaya pembuatan bioetanol G1 dan G2 diperlihatkan pada Tabel 9.9.

Tabel 9.9 memperlihatkan bahwa komponen biaya bahan baku pembuatan bioetanol G2 lebih kecil daripada G1. Hal ini karena G1 menggunakan komoditas pangan, sedangkan G2 memanfaatkan bahan baku limbah pertanian. Namun, biaya proses dan belanja modal untuk pembuatan bioetanol G2 jauh lebih besar daripada bioetanol G1.


Tabel 9.9 Perbandingan Komponen Biaya Produksi Bioetanol G1 dan G2

Komponen biaya (%) Etanol dari jagung(Bioetanol G1)

Etanol selulosa(Bioetanol G2)

Bahan baku 57 36Enzim 2 15Modal (kapital) 10 20Lain-lain 31 29

Sumber: Eggert, Greaker, dan Potter (2011)

Perbedaan biaya produksi kedua jenis bioetanol ini mendorong para peneliti di berbagai negara terus berupaya untuk menekan biaya pembuatan etanol G2 agar mendekati biaya bioetanol G1. Pada 1980-an, biaya produksi bioetanol G2 berkisar sekitar 4–5 US$/galon atau Rp14.075–17.590/L (nilai tukar Rp13.300/US$ dan 1 galon=3,78 L), tergantung proses dan jenis bahan baku yang dipakai (Wyman & Riverside, 2008). Hasil survei Voegele ta hun 2012 (Voegele, 2013) memperlihatkan bahwa biaya produksi bioetanol G2 sekitar 3,55/US$/galon (Rp12.490/L). Harga ini 40% lebih tinggi daripada bioetanol dengan bahan baku jagung yang sekitar 2,54US$/galon (Rp8.940/L). Survei Voegele memperkirakan bahwa dengan berbagai upaya yang dilakukan, pada 2016 biaya produksi bioetanol G2 akan semakin mendekati biaya bioetanol dari bahan jagung. Dengan hadirnya berbagai kemajuan teknologi pada berbagai tahap proses produksi etanol G2, tahun 2016 harga jual etanol G2 terendah (minimum ethanol selling price/MESP) dari industri etanol Raizen di Brasil adalah 2,17 US$/galon (Rp7.635/ L) ("Lux: Cellulosic ethanol", 2016). Beberapa kajian lain (Eggert dkk., 2011; Wyman & Riverside, 2008) memperkirakan harga bioetanol G2 akan dapat berkompetisi dengan bioetanol G1, apabila biaya produksi bioetanol G2 sekitar 0,24 US$/L atau Rp3.190/L. Perkiraan ini bisa dipahami mengingat harga bioetanol G1 dari jagung di pasar AS pada Juni 2017 sekitar Rp5.200/L. Contoh komponen


biaya pembuatan bioetanol G2 skala industri di tiga zona berbeda (van der Hoeven, 2016) dapat dilihat pada Tabel 9.10.

Dari Tabel 9.10, dapat dilihat bahwa biaya produksi tertinggi adalah di AS, dan komponen biaya terbesar dalam produksi bio-etanol G2 adalah biaya operasi. Sementara itu, di Eropa komponen biaya produksi terbesar adalah bahan baku (dalam hal ini biaya pengumpulan dan transportasi bahan baku). Jika ketiga industri tersebut dibandingkan maka Brasil memiliki biaya produksi teren-dah dengan biaya modal terbesar untuk membangun industri bio etanol G2.

Selain biaya proses pengolahan awal dalam pembuatan bio-etanol G2, biaya enzim juga merupakan komponen biaya pro ses yang sangat signifikan (Macrelli, Mogensen, & Zacchi, 2012; Rarbach, 2017). Oleh karena itu, masalah enzim menjadi salah satu topik bahasan di berbagai riset bioetanol G2. Beragam upaya dilakukan oleh berbagai industri untuk menurunkan biaya enzim, misalnya melalui penelitian untuk mencari enzim yang paling

Tabel 9.10 Gambaran MESP untuk Komponen Produksi Bioetanol G2 dari Tiga Buah Industri di AS, Brasil, dan Uni Eropa

Komponen BiayaPerusahaan/Industri di

AS(Industri DP)

Eropa(Industri PD)

Brasilia(Industri RZ)

• Bahan Baku (%) 29,4 39,1 20,4• Biaya Operasi (%) 42,3 20,7 25,5• Biaya Tetap (%) 8,8 12,6 16,1Total Biaya Produksi (%) 80,5 72,4 62• Biaya Modal (Capital cost) (%) 15,3 21,8 29• ROI (%) 4,3 5,8 9MESP (Rp/L) 11.610 11.890 7.635

MESP: harga jual bioetanol minimum (minimum ethanol selling price)Konversi: Rp13.300/US$, 1 galon = 3,78 L.Sumber: Diolah kembali dari van der Hoeven (2016)


efektif, maupun kerja sama antara pemilik teknologi proses dan pemilik teknologi enzim. Contoh kerja sama ini dapat dilihat dari kepemilikan bersama perusahaan, seperti diperlihatkan pada Tabel 9.8.

Menurut Rarbach (2017), integrasi antara proses bioetanol dan proses produksi enzim dapat menurunkan biaya secara signifikan. Sebagai contoh, integrasi antara pabrik enzim dan pabrik pembuat bioetanol di suatu perusahaan di Amerika Serikat ternyata akan mengurangi biaya enzim dibandingkan jika kedua pabrik tersebut terpisah (lihat Tabel 9.11).

Tabel 9.11 memperlihatkan bahwa bila enzim dibuat secara terpisah dari pabrik pembuat bioetanol G2, komponen biaya untuk enzim sekitar 28,8% dari total biaya produksinya yang sebesar Rp9.665/L. Bila pabrik enzim berada dalam satu lokasi maka bia ya enzim turun menjadi sekitar 22,2% dari biaya produksi.

Tabel 9.11 Pengaruh Lokasi Produksi Enzim terhadap Porsi Biaya Enzim pada Pro duksi Bioetanol G2

Komponen Biaya

Alternatif lokasi sistem produksi enzim

Di luar Satu Lokasi Proses Terintegrasi

Rp/L Rp/L Rp/La. Biomassa (kering), Rp/L 2.607 2.712 2.920b. Biaya operasi lainnya, Rp/L 3.720

(38,5%)2.990

(32,9%)1.878

(22,9%)Lokasi produksi enzim di luar: 2.790 2.014 800• Enzim (75% dari b) (28,8%) (22,2%) (9,74%)• Bahan lain (19% dari b) 707 765 869• Utilitas (6% dari b) 223 211 209c. Biaya tetap 3.338 3.372 3.407d. Jumlah (Production cost, Rp/L) 9.665 9.074 8.205e. Perbandingan: harga pasar bioetanol G1 (Harga di pasar AS

5.250(Juni, 2017)

Sumber: Diolah dari Johnson (2016); Rarbach (2017)


Bila pembuatan enzim terintegrasi dengan proses pembuatan bio etanol G2 maka biaya enzim turun menjadi 9,74% dari total biaya. Berdasarkan Tabel 9.11, dapat dipahami mengapa beberapa industri komersial pembuatan bioetanol G2 dari AS, Brasil, India bekerja sama dengan industri enzim, seperti diperlihatkan pada Tabel 9.8. Kerja sama seperti ini merupakan salah satu upaya untuk menekan biaya produksi agar dapat menghasilkan bioetanol G2 yang bersaing dengan bioetanol G1.

2. Upaya Pemerintah di Beberapa Negara dalam Mendukung Produksi Bioetanol G2

Untuk mendorong penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar dan mendorong tumbuhnya industri bioetanol, pemerintah di berbagai negara mengeluarkan berbagai kebijakan. Contoh kebijakan terse-but antara lain memberikan keringanan pajak, membantu petani yang menghasilkan limbah biomassa lignoselulosa agar bisa men-jual limbah ke industri bioetanol G2, memberlakukan tarif untuk impor etanol, atau mengeluarkan mandat penggunaan campuran etanol dan BBM sebagai bahan bakar untuk transportasi darat.

a. Keringanan PajakPada 2017, biaya produksi bioetanol G2 di Amerika Serikat berki sar antara Rp8.200 sampai Rp11.600 per liter, atau masih lebih mahal daripada biaya produksi bioetanol G1 yang sekitar Rp5.200 per liter. Namun, industri skala komersial bioetanol G2 tetap dapat dibangun karena ada bantuan khusus dari pemerintah. Sebagai contoh, bantuan Pemerintah Amerika Serikat melalui Energy Independence and Security Act (EISA) 2007 dan the Biomass Crop Assistance Program berupa keringanan pajak dan bantuan pada petani. Petani bisa menjual limbah pertanian jagung atau biomassa limbah pertanian lainnya ke industri bioetanol dengan harga yang


memungkinkan bagi industri etanol untuk berproduksi. Bantuan-bantuan ini mendorong tercapainya target Pemerintah Amerika Serikat menggunakan 16 miliar galon (sekitar 60 miliar liter) bioetanol G2 sebagai campuran bahan bakar transportasi pada 2022 (Coyle, 2010; Peters, Alberici, Passmore, & Malins, 2015).

Thailand, dalam upaya melaksanakan program rencana pe-ngem bangan energi alternatif 2015 (alternative energy development plan 2015 of Thailand), berencana meningkatkan penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar dari 1,18 miliar liter pada 2015 men jadi 4,1 miliar liter pada 2036. Untuk mendorong peningkatan penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar, Pemerintah Thailand memberikan insentif berupa keringanan pajak bagi retailer bio-etanol bahan bakar serta melaksanakan uji coba program pe ngu-rangan pajak bagi kendaraan yang menggunakan E20 dan E85. Selain itu, dalam bidang pertanian, dilakukan berbagai upaya untuk mencapai peningkatan produksi (rata-rata) tebu dari sekitar 69–75 ton per hektare pada 2015 ditargetkan menjadi 94 ton per hektare pada 2036. Target produksi ubi kayu tahun 2036 sebesar 31 ton per hektare, jumlah ini lebih tinggi dari produksi rata-rata tahun 2015 sebesar 22 ton per hektare (Preechajarn & Prasertsri, 2017).

b. Mandat Penggunaan Etanol sebagai Bahan BakarUntuk pemanfaatan bioetanol sebagai campuran bahan bakar, ber-bagai negara menerapkan aturan yang berbeda, tergantung kondisi infrastruktur dan kemampuan negara tersebut dalam menyediakan bioetanol. Sampai tahun 2016, sebanyak 65 negara telah menge-luarkan mandat penggunaan bioetanol sebagai substitusi BBM (Lane, 2016). Penyusunan mandat penggunaan bioetanol sebagai campuran BBM untuk transportasi darat merupakan salah satu bentuk upaya pemerintah dalam mendorong penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar substitusi BBM. Sebagai contoh, sejak Maret


2015, Pemerintah Brasil menetapkan kenaikan campuran etanol dalam BBM dari E20 menjadi E27. Selain itu, untuk mendorong ketersediaan etanol dan sekaligus melindungi industri dalam ne-geri, pada Maret 2017 Pemerintah Brasil mengenakan tarif 20% untuk etanol bagi keperluan bahan bakar yang diimpor, bila total volume impor sudah di atas 600 juta liter (Barros & Berk, 2017).

Jumlah etanol yang digunakan dalam campuran BBM sangat bervariasi, dan kadar yang paling tinggi yang pernah dicoba adalah E85 di Brasil, Thailand, dan AS. Tabel 9.12 memperlihatkan contoh kebijakan penggunaan bioetanol sebagai campuran BBM kendaraan di beberapa negara.

Tabel 9.12 memperlihatkan bahwa penggunaan bioetanol se bagai campuran bahan bakar di banyak negara belum sesuai target. Artinya, realisasi penggunaan campuran etanol dalam BBM masih di bawah dari yang direncanakan. Hambatan utama yang dihadapi adalah ketersediaan bioetanol kualitas bahan bakar dan ketersediaan sarana/prasarana pendukung penggunaan campuran BBM tersebut.

Tabel 9.12 Kebijakan dan Penggunaan Etanol sebagai Substitusi BBM di Beberapa Negara

Negara Kebijakan bioetanol sebagai substitusi BBM Keterangan

Amerika Argentina 5% bioetanol (E5) 2015: Belum terealisasi Brasil Sebelum 2014: E25

Setelah 2014: E27 (minimum)2014: E85 sudah digunakan pada beberapa kendaraan tertentu

Kanada BBM Standar: E5Amerika Serikat Umum digunakan: E10 Di beberapa negara

bagian sudah ada yang menggunakan E70-E85



Afrika dan Negara Sekitar Lautan India

Etiopia 2014: keharusan penggunaan E5, 2015: pemerintah menargetkan penggunaan E20

2015: Target E20 tidak terealisasi karena kekurangan pasokan etanol sehingga digunakan E10

Malawi Penggunaan E10,tergantung ketersediaan etanol

Mauritius Ada peraturan harus menggunakan E5

Sampai 2015 tidak bisa dijalankan karena sarana dan prasarana blending belum lengkap

Kenya Kewajiban penggunaan E10 hanya di kota Kisumu, kota ketiga terbesar di Kenya

Angola Ada kewajiban penggunaan E10

Mozambique Ada kewajiban penggunaan E10Nigeria Pemerintah menargetkan

penggunaan E10Tidak berupa kewajiban

Afrika Selatan 2007: Adanya insentif bagi penggunaan E2

Efektif 1 Oktober 2015

Sudan Mandat penggunaan E5Zambia Tidak ada mandat penggunaan

etanol dalam BBM Zimbabwe 2014: pemerintah menaikkan

target penggunaan E10 menjadi E15. Namun, dalam tahun 2014 turun mandat penggunaan menjadi E5 karena industri pertanian tebu terganggu cuaca

Bila pertanian tebu membaik kembali, penggunaan etanol dalam BBM akan ditingkatkan kembali

Negara di Asia-PasifikChina Berlaku penggunaan E10 pada 10

propinsi. 2020: rencana penggunaan E10 di seluruh negeri.

Fiji 2011: pemerintah menyetujui aturan penggunaan E10 (voluntary).

Sampai 2015 belum direalisasikan.

India Rencana penggunaan campuran E5.

Sampai 2013, tidak terealisasi



Thailand Penggunaan E10, dan pemerintah mendorong penggunaan E20-E85 dengan memberikan subsidi

Sampai 2021

Filipina 2006: Wajib menggunakan E10 Penggunaan E10 belum tercapai secara keseluruhan karena kekurangan suplai bioetanol

Indonesia Rencana penggunaan E2 Pernah menggunakan E2 pada 2008–2010. 2018: belum terealisasi

EropaNegara di Uni Eropa

Umumnya menerapkan E5

Sumber: Lane (2016); Purwanto (2017); Bringezu dkk. (2009); Corpuz dan Shull (2013); Corpuz dan Albanese (2017); Preechajarn dan Prasertsri (2015); Scott dan Junyang (2011); Aradhey dan Sindelar (2017); Biozio (2010)

E. Gambaran Biaya Produksi Bioetanol di Pusat Penelitian Kimia LIPI

Kegiatan penelitian pembuatan bioetanol G2 di Pusat Penelitian Kimia (PPK)-LIPI memanfaatkan tandan kosong sawit (TKS) se bagai bahan baku. Kegiatan itu dilakukan mulai dari skala kecil sampai skala semi pilot dengan jumlah bahan baku sampai 100 kg per hari dan memproduksi sekitar 15 L bioetanol kualitas bahan bakar dengan kemurnian 99,6% (Sudiyani dkk., 2013). Kegiatan skala pilot produksi bioetanol G2 di Pusat Penelitian Kimia LIPI merupakan skala terbesar di Indonesia. Oleh karena itu, hasil pene-litian PPK-LIPI digunakan untuk menggambarkan biaya proses pembuatan bioetanol G2 di Indonesia.


Kajian pendahuluan untuk melihat kelayakan ekonomi proses pembuatan bietanol G2 dari TKS dilakukan berdasarkan data neraca massa, neraca energi, dan perkiraan biaya bahan (Aiman, Irawan, Triwahyuni, Puji, & Muryanto, 2014). Dasar perhitungan untuk kajian kelayakan ekonomi tersebut adalah sebagai berikut.

Sarana penelitian berupa semi pilot di PPK- LIPI:1) Kapasitas sistem peralatan pilot plant sebesar 100 kg biomassa

TKS per hari (8 jam operasi).2) Produk adalah 15 L etanol per 100 kg TKS dengan kualitas

bahan bakar (kemurnian di atas 99,6%). Konversi ini sudah sesuai dengan konversi teoretis. Berdasarkan jumlah produk etanol yang dihasilkan maka teknologi proses konversi di-anggap sudah optimal.

3) Penggunaan bahan kimia untuk proses pengolahan awal, yang berupa senyawa NaOH, dapat diresirkulasi 3 kali. Dari penelitian laboratorium di PPK-LIPI, proses ini terbukti tidak memengaruhi konversi biomassa ke bioetanol.

4) Metode perhitungan biaya dalam kajian ini, yaitu:a) Biaya bahan kimia pendukung, seperti senyawa NaOH

untuk pengolahan awal, enzim, dan bahan kimia lain diperhitungkan dengan harga pembelian kontrak skala besar. Data harga bahan-bahan kimia, berdasarkan harga tahun 2014, diambil dari data terpublikasi dari berba gai pedagang bahan kimia di internet maupun dari pe na-waran langsung.

b) Biaya energi menggunakan data dari Changhae Bio-ethanol Industry, Korea, yang merancang peralatan semi pilot plant di PPK-LIPI.

c) Biaya proses, yang mungkin dapat dihitung selain biaya bahan kimia, adalah biaya bahan baku berupa TKS,


energi, dan utilitas. Kajian ini belum memperhitungkan biaya tenaga kerja dan biaya tidak langsung dalam proses pembuatan bioetanol.

Dari kajian pendahuluan ini, diperoleh gambaran bahwa proses di PPK-LIPI masih belum bisa bersaing dengan proses-proses yang telah dihasilkan oleh beberapa negara (lihat Tabel 9.10). Biaya proses produksi bioetanol G2 dengan bahan baku TKS masih jauh lebih tinggi daripada biaya produksi di Brasil dan AS, pada skala industri komersial. Biaya produksi bioetanol bahan bakar dari TKS sekitar Rp35.600/L, berarti masih 5 kali lebih mahal daripada biaya produksi di Brasil atau 3,5 kali dari biaya di AS.

Kajian ini juga memperlihatkan bahwa biaya bahan baku bio-massa (dalam hal ini biaya TKS) di Indonesia jauh lebih murah, kurang lebih 1/2 biaya ampas tebu di Brasil, atau 1/10 dari biaya limbah jagung di Amerika Serikat. Komponen biaya enzim dan bahan kimia (sekitar 70% dari biaya operasi) merupakan biaya yang sangat memengaruhi biaya proses ini. PPK-LIPI meyakini bahwa biaya produksi pada semi skala pilot masih bisa diturunkan, terutama biaya enzim dan biaya senyawa NaOH untuk pengolahan awal, yang nilainya cukup besar dan menjadi komponen penting dalam biaya proses bioetanol G2. Penurunan biaya enzim pada skala komersial dapat dilakukan dengan pendekatan proses pro-duksi terintegrasi. Sementara itu, biaya senyawa NaOH dapat di tekan melalui tiga pendekatan. Pertama, memanfaatkan lignin yang merupakan limbah dari proses pengolahan awal TKS menjadi bio etanol untuk diolah menjadi produk yang mempunyai nilai tambah dari proses bioetanol (Falah, 2012; Mansur, Simanungkalit, & Rinaldi, 2016; Manurung, 2009). Kedua, melakukan sirkulasi senyawa basa NaOH lebih dari 3 kali. Ketiga, mengganti proses pengolahan awal sehingga biaya senyawa basa yang mahal dapat diganti dengan proses lain yang lebih ekonomis.


F. KesimpulanBioetanol G2 telah dipandang sebagai salah satu bahan bakar po ten sial untuk menyubstitusi BBM. Sampai Desember 2017, biaya produksi bioetanol G2 masih lebih mahal dibandingkan bio-etanol G1. Namun, karena menggunakan bahan baku yang tidak berkompetisi dengan bahan pangan, pemerintah di berbagai negara mendukung dan melaksanakan program pengembangan bioetanol G2. Meskipun saat ini harga minyak bumi turun jauh di bawah 100 US$, penggunaan bioetanol dan bahan bakar nabati lainnya masih tetap akan dipertahankan karena berbagai manfaatnya. Jika memperhatikan banyaknya negara yang bekerja sama dalam pe-nelitian dan pengembangannya, dalam waktu dekat biaya produksi bioetanol G2 akan dapat bersaing dengan bioetanol G1.

Agar pemanfaatan bioetanol G2 sebagai bahan bakar dapat direalisasikan pada masa mendatang, disarankan agar para peneliti dan pembuat kebijakan di Indonesia memfokuskan perhatian pada pembuatan enzim yang prospektif, perbaikan proses pengolahan awal, dan pemanfaatan sisa dari proses pembuatan etanol G2 se-bagai produk samping. Kebijakan pemerintah yang mendukung penelitian dan pengembangan dalam bidang ini sangat dibutuhkan agar ke depan pemanfaatan bioetanol sebagai bahan bakar di dalam negeri bisa didukung oleh teknologi dan SDM lokal yang andal.

Daftar PustakaAbdi, A., Wright, T., & Rahmanulloh, A. (2017). Indonesia biofuels annual

report 2017. USDA Foreign Agricultural Service, Global Agricultural Information Network (GAIN), REPORT Number ID 1714.

Aiman, S., Irawan, Y., Triwayuni, E., Puji, & Muryanto. (2014). Kajian awal potensi teknoekonomi pembuatan bioetanol dari tandan kosong kelapa sawit (TKKS). Laporan Penelitian Pusat Penelitian Kimia LIPI.


Ambarita, E. (2017). Produksi bioetanol dari limbah biomassa lignoselulosa Sorgum (Sorghum bicolor L.) melalui fermentasi Saccharomyces cerevisiae. (Skripsi). Departemen Biokimia, Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor.

Anggorowati, D. A., & Dewi, B. K. (2013). Pembuatan bioetanol dari limbah sabut kelapa dengan metode hidrolisis asam dan fermentasi dengan menggunakan Ragi Tape. Industri Inovatif, 2, 9–13.

Aradhey, A., & Sindelar, S. (2017). India biofuels annual 2017. Global Agricultural Information Network/GAIN Report Number IN 7075, June 27.

Barros, S., & Berk, C. (2017). Brazil biofuels annual 2017. Diakses dari https://gain.fas.usda.gov/Recent GAIN Publications/Biofuels Annual_Sao Paulo ATO_Brazil_9-15-2017.pdf.

Biozio. (2010). Comprehensive cellulosic ethanol report: A detail report on cellulosic ethanol. Chennai.

BPS. (2015). Statistik tebu Indonesia. Katalog 5504004.Bringezu, S., Schultz, H., O’Brien, M., Kauppi, L., Howarth, R. W., &

McNeely, J. (2009). Towards sustainable production and use of resources: Assessing Biofuels. Division of Technology Industry and Economics, UNEP.

CARD. (2017). Center for agricultural and rurall development. Iowa State University, IOWA, US. Diakses pada 18 Mei 2017 dari https://www.card.iastate.edu/research/biorenewables/tools/hist_eth_gm.aspx.

CAS. (2010). China takes lead in the commercialization of bioethanol. Chemical Abstract Services (CAS) Chemistry Research Report. Diakses dari www.cas.org.

Corpuz, P., & Albanese, J. (2017). Philippines biofuels annual: Philippine biofuels industry situation and outlook. GAIN report Number: RP 1713. Diakses dari https://gain.fas.usda.gov/Recent%20GAIN%20Publications/Biofuels%20Annual_Manila_Philippines_10-18-2017.pdf.

Corpuz, P., & Shull, P. (2013). Philippines biofuels annual: Philippine biofuels industry situation and outlook. Diakses dari http://gain.fas.usda.gov/Recent GAIN Publications/Biofuels Annual_Manila_Philippines_7-10-2013.pdf.

Coyle, W. T. (2010). Next-generation biofuels: Near-term challenges and implications for agriculture. Diakses pada 27 Maret 2018 dari https://www.sciencebase.gov/catalog/item/5140ac91e4b089809dbf55f5.


De Souza, L. G. A., de Moraes, M. A. F. D., Poz, M. E. S. D., & da Silveira, J. M. F. J. (2015). Collaborative networks as a measure of the innovation systems in second-generation ethanol. Scientometrics, 103(2), 355–372. https://doi.org/10.1007/s11192-015-1553-2.

Dehani, F. R., Argo, B. D., & Yulianingsih, R. (2013). Pemanfaatan irradiasi gelombang mikro untuk memaksimalkan proses pretreatment degradasi lignin jerami padi (pada produksi bioetanol). Jurnal Bioproses Komoditas Tropis, 1(1), 13–20.

Eggert, H., Greaker, M., & Potter, E. (2011). Policies for second generation biofuels: Current status and future challenges. Statistic Norway. Diakses dari http://gupea.ub.gu.se/handle/2077/25502.

Enerkem Alberta Biofuel-a global game-changing facility!. (2017). Diakses pada 27 Maret 2018 dari http://enerkem.com/facilities/enerkem-alberta-biofuels/.

Menteri ESDM. (2015). Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia No. 12 Tahun 2015 tentang Perubahan Ketiga atas Permen ESDM No 32 tahun 2008 tentang Penyediaan, Pemanfaatan, Tata Niaga BBN sebagai Bahan Bakar Lain.

ETIP Bioenergy. (2018). Cellulosic ethanol (CE): An introduction to cellulosic ethanol technology 2018. European Technology and Innovation Platform (ETIP) Bioenergy. Diakses pada 27 Maret 2018 dari http://www.etipbioenergy.eu/value-chains/products-end-use/products/cellulosic-ethanol?highlight.

Fajar. (2008). Hidrolisis fraksi organik sampah kota Daerah Istimewa Yogyakarta untuk bahan baku pembuatan etanol. (Tesis). Teknik Kimia, Universitas Gajah Mada.

Fajriutami, T., Fatriasari, W., & Hermiati, E. (2012). Dilute acid hydrolysis of sengon pulp under microwave irradiation. Makalah pada The second Korea-Indonesia Workshop and International Symposium on Bioenergy from Biomass, KOICA and RCC-LIPI, Serpong, 13–15 Juni.

Falah, F. (2012). Pemanfaatan limbah lignin dari proses pembuatan bioetanol dari TKKS sebagai bahan aditif pada mortar. (Tesis). Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia.

Heriyanto. (2017, Agustus 8). Impor 2017 bisa satu juta ton, beberapa pabrik tapioka mulai ditutup. Beritasatu. Diakses pada 27 Maret 2018 dari http://www.beritasatu.com/bisnis/445986-impor-2017-bisa-satu-juta-ton-beberapa-pabrik-tapioka-mulai-ditutup.html.


Hermiati, E., Mangunwidjaja, D., Sunarti, T. C., & Suparno, O. (2010). Pemanfaatan biomassa lignoselulosa ampas tebu untuk produksi bioetanol. Jurnal Litbang Pertanian, 29(4), 121–130.

Iman, G., & Handoko, T. (2011). Pengolahan buah bintaro sebagai sumber bioetanol dan karbon aktif. Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan,” Vol. 2005. https://doi.org/ISSN 1693 - 4393.

Jatmiko, B. P. (2013, Oktober 18). Medco hentikan anak usaha produsen ethanol. Kompas.com. Diakses pada 18 Oktober 2013 dari http://bisniskeuangan.kompas.com/read/2013/10/18/1910430/Medco.Hentikan.Anak.Usaha. Produsen.Ethanol.

Johnson, E. (2016). Integrated enzyme production lowers the cost of cellulosic ethanol. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 10(2), 164–174. https://doi.org/10.1002/bbb.1634.

Komarayati, S., Djarwanto, & Winarni, I. (2014). Teknologi produksi ragi untuk pembuatan bioetanol. Laporan Penelitian, Pusat Penelitian dan Pengembangan Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan, Balitbang Kehutanan, Bogor.

Kuswandi, R., Suripatty, B., Utomo, P. M., & Hutapea, F. J. (2012). Inventarisasi potensi dan sebaran jenis nipah di Papua. Laporan Pene-litian PKPP, Balitbang Kehutanan, Bogor.

Lane, J. (2016, Januari 3). Biofuels mandates around the world 2016. Biofuel digest. Diakses dari http://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2016/01/03/biofuels-mandates-around-the-world-2016/.

Lane, J. (2015a, November 17). New biobased projects around the world. Biofuels Digest. Diakses dari http://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2015/11/17/new-biofuels-projects-around-the-world/.

Lane, J. (2015b, Desember 16). Pacific ethanol begins commercial production of cellulosic ethanol. Biofuels Digest. Diakses dari www.biofuelsdigest.com/bdigest/2015/12/16/pacific-ethanol-begins-commercial-production- of-cellulosic-ethanol/.

Lane, J. (2017, Oktober 31). Clariant to build flagship cellulosic ethanol plant in Romania: 8-figure sales potential envisioned. Biofuel Digest. Diakses dari http://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2017/10/31/clariant-to-build-flagship-cellulosic-ethanol-plant-in-romania-8-figure-sales-potential-envisioned/.

Larsen, U., Johansen, T., & Schramm, J. (2009). Ethanol as a fuel for road transportation: Main Report. DTU Mekanik. http://orbit.dtu.dk/files/5237040/annex35report_final.pdf.


Losordo, Z., McBride, J., Van Rooyen, J., Wenger, K., Willies, D., Froehlich, A., & Lynd, L. (2016). Cost competitive second generation ethanol production from hemicellulose in a Brazilian sugarcane biorefinery. Biofuel, Bioproducts and Biorefining, 10(5), 589–602. https://doi.org/10.1002/bbb.1663.

Lux: Cellulosic ethanol price hinges on feedstock cost. (2016). Diakses pada 27 Maret 2018 dari http://ethanolproducer.com/articles/13085/.

Macrelli, S., Mogensen, J., & Zacchi, G. (2012). Techno economic evaluation of 2nd generation bioethanol production from sugar cane bagasse and leaves integrated with the sugar based ethanol process. Biotechnology for Biofuels, 5, 22. https://doi.org/10.1186/1754-6834-5-22.

Mansur, D., Simanungkalit, S. P., & Rinaldi, N. (2016). Pemanfaatan limbah pretreatment dalam produksi bioetanol dari lignoselulosa untuk me-recovery fine chemicals dengan proses Pirolisis. Reaktor, 16(1), 17–23. https://doi.org/10.14710/reaktor.16.1.17-23.

Manurung, H. (2009). Pemanfaatan lignin dari lindi hitam sebagai bahan baku perekat lignin resorsinol formaldehida (LRF). (Skripsi). Departe-men Kehutanan, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatra Utara.

Mao, G., Zou, H., Chen, G., Du, H., & Zuo, J. (2015). Past, current and future of biomass energy research: A bibliometric analysis. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 52, 1823–1833. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.141.

Markum, M. E. (2009). Kedalaman struktur industri yang mempunyai daya saing di pasar global: Penguatan struktur industri dalam pengembangan klaster industri berbasis biomaterial (Vol. 1). Departemen Perindustrian RI.

Maryana, R., Ma’rifatun, D., Wheni, A. I., Satriyo, K. W., & Rizal, W. A. (2014). Alkaline pretreatment on sugarcane bagasse for bioethanol production. Energy Procedia, 47, 250–254. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.01.221.

Merina, F., & Trihadiningrum, Y. (2011). Produksi bioetanol dari eceng gondok (Eichornia crassipes) dengan Zymomonas mobilis dan Saccharomyces cerevisiae. Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XIII, Surabaya, 5 Februari.

Molindo produksi etanol berbasiskan tetes tebu dan jagung. (2018, Juli 28). Suara Pembaruan. Diakses dari http://sp.beritasatu.com/inovasi/molindo-produksi-etanol-berbasiskan-tetes-tebu-dan-jagung/125134.


Nasution, H. I., Sari, R., & Hasibuan, P. (2016). Pembuatan etanol dari rumput gajah (Pennisetum purpureum schumach) menggunakan metode hidrolisis asam dan fermentasi Saccharomyces cerevisiae. Jurnal Pendidikan Kimia, 8(2), 72–81. https://doi.org/10.24114/jpkim.v8i2.4441.

Osvaldo, Z. S., Putra. P. S., & Faizal, M. (2012). Pengaruh konsentrasi asam dan waktu pada proses hidrolisis dan fermentasi pembuatan bioetanol dari Alang-Alang. Jurnal Teknik Kimia, 18 (2), 52–62.

Peplow, M. (2014). Cellulosic ethanol fights for life. Nature, 507(7491), 152–153. https://doi.org/10.1038/507152a.

Peters, D., Alberici, S., Passmore, J., & Malins, C. (2015). How to advance cellulosic biofuels: Assessment of costs, investment options and policy support. Project Report, Project number: BIENL15782, ECOFYS Netherlands B.V. 28 December.

Poetranto, F. H. (2012). Limbah kulit jeruk manis sebagai bahan baku pembuatan bioetanol. (Skripsi). Program Studi Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Universitas Pembangunan Nasional “Veteran”, Jawa Timur.

Prasetyo, E. (2012). Pengaruh konsentrasi ragi tempe dan lama fermentasi dalam pembuatan bioetanol menggunakan substrat bonggol pisang. (Skripsi). Jurusan Pendidikan Kimia, FMIPA, Universitas Negeri Yogyakarta.

Preechajarn, S. & Prasertsri, P. (2015). Thailand biofuels annual 2015, Global Agricultural Information Network. GAIN Report No. 5085, 13 July.

Preechajarn, S. & Prasertsri, P. (2017). Thailand biofuels annual 2017, Global Agricultural Information Network . GAIN Report No. 7084, 23 June.

Project LIBERTY Biorefinery starts cellulosic ethanol production. (2014). Diakses pada 27 Maret 2018 dari https://www.energy.gov/articles/project-liberty-biorefinery-starts-cellulosic-ethanol-production.

Purwanto, Heru. (2017, 19 Desember). Indonesia to Experiment Use of Bioethanol Fuel. Antara News. Diakses dari https://en.antaranews.com/news/113943/indonesia-to-experiment-use-of-bioethanol-fuel.

Rarbach, M. (2017). Process integrated enzyme production: The cost-efficient way to commercially viable 2G cellulosic ethanol. Biofuelpigest, 2–5. Diakses dari https://biofueldigest.com/bdigest/2017/01/23/process-integrated-enzyme-production-the-cost-efficient-way-to-commercially-viable-2g-cellulosic-ethanol.


Scott, R. R., & Junyang, J. (2011). People Republic of China biofuels annual: 2011 Annual Report. Global Agricultural Information Network (GAIN) Report Number 11039, July 21.

Sementa, P., Vaglieco, B. M., & Catapano, F. (2012). Thermodynamic and optical characterizations of a high performance GDI engine operating in homogeneous and stratified charge mixture conditions fueled with gasoline and bio-ethanol. Fuel, 96, 204–219. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.12.068

Siregar, B. U. O. (2013). Fermentasi kulit durian menjadi bioetanol dengan menggunakan Zymomonas mobilis. Skripsi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Pembangunan Nasional “Veteran” Jawa Timur.

Soerawidjaja, T. H. (2013). Evaluasi cepat perkembangan industri bahan bakar nabati cair dan kebijakan pembinaannya. Laporan Akhir. Program Pendukung Rendah Karbon, Kementerian Keuangan.

Statista. (2018). Average annual OPEC crude oil price from 1960 to 2018 (in U.S. dollars per barrel). Diakses dari https://www.statista.com/statistics/262858/change-in-opec-crude-oil-prices-since-1960/.

Sudiyani, Y., Styarini, D., & Triwahyuni, E. (2013). Utilization of biomass waste empty fruit bunch fiber of palm oil for bioethanol production using pilot—scale unit. Physics Procedia, 32, 31–38. https://doi.org/ 10.1016/j.egypro.2013.05.005.

Sudiyani, Y., Triwahyuni, E., Muryanto, Burhani, D., Waluyo, J., Sulaswatty, A., & Abimanyu, H. (2016). Alkaline pretreatment of sweet sorghum bagasse for bioethanol production. International Journal of Renewable Energy Development, 5(2), 113–118. https://doi.org/10.14710/ijred. 5.2.113-118.

Susilowati. (2011). Pemanfaatan tongkol jagung sebagai bahan baku bioetanol dengan proses hirolisis H2SO dan fermentasi Saccharomyces cereviceae. (Tugas Akhir D-III). Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro.

Tao, L., Schell, D., Davis, R., Tan, E., Elander, R., & Bratis, A. (2014). NREL 2012 achievement of ethanol cost targets: Biochemical ethanol fermentation via dilute-acid pre-treatment and enzymatic hydrolysis of corn stover. NREL Technical Report NREL/TP-5100-61563, April.


Turner, D., Xu, H., Cracknell, R. F., Natarajan, V., & Chen, X. (2011). Combustion performance of bio-ethanol at various blend ratios in a gasoline direct injection engine. Fuel, 90(5), 1999–2006. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.12.025.

van der Hoeven, D. (2016). Cellulosic ethanol: Feedstock costs predominant, sugar cane cheapest biobased. Diakses pada 27 Maret 2018 dari https://www.biobasedpress.eu/2016/02/cellulosic-ethanol-feedstock-costs-predominant-sugar-cane-cheapest/.

Voegele, E. (2013, Maret 18). Survey: Cellulosic ethanol will be cost compe titive by 2016. Ethanol Producer Magazine. Diakses dari http://ethanolproducer.com/articles/9658/survey-cellulosic-ethanol-will-be-cost-competitive- by-2016.

Wahyudi, J., Wibowo, W. A., Rais, Y. A., & Kusumawardani, A. (2012). Optimization of glucose production from banana peels hydrolysis for bioethanol production. Makalah pada The second Korea-Indonesia Workshop and International Symposium on Bioenergy from Biomass, KOICA and RCC-LIPI, Serpong, 13–15 Juni.

Wang, M., Han, J., Dunn, J. B., dan Cai, H. (2012). Well-to-wheels energy use and greenhouse gas emissions of ethanol from corn, sugarcane and cellulosic biomass for US use. Environment Research Letter, 7, 4. https://doi.org/10.1088/1748-9326/7/4/045905.

Wiratmaja, I. G., Bagus, I. G., Kusuma, W., & Winaya, I. N. S. (2011). Pem buatan etanol generasi kedua dengan memanfaatkan limbah rum-put laut Eucheuma cottonii sebagai bahan baku. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Cakra, 5(1), 75–84.

World Bank commodities price forecast (nominal US dollars). (2016). Diakses pada 26 Juli 2016 dari http://pubdocs.worldbank.org/en/ 764161469470731154/CMO-2016-July-forecasts.pdf.

Wyman, C. E., & Riverside, C. (2008). Cellulosic ethanol: A unique sustainable liquid transportation fuel. MRS Bulletin, 33 (April), 381–383. Diakses dari https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/cellulosic-ethanol-a-unique-sustainable-liquid-transportation- fuel/4A5A285967E59231390F68B55E98AD84.

299

10BIOETANOL GENERASI DUA

SEBAGAI BAHAN BAKARDieni Mansur dan Syahrul Aiman

Bioetanol telah ditemukan sejak lebih dari 1.000 tahun yang lalu, dan pada 1908 dicoba sebagai bahan bakar kendaraan

oleh Ford (Gustafson, 2010). Dalam perkembangannya, saat ter jadi krisis bahan bakar minyak (BBM) tahun 1973, berimbas pada di perhitungkannya dan digunakannya bioetanol sebagai salah satu bahan bakar cair untuk menggantikan sebagian fungsi BBM dengan mencampurkannya dengan BBM (Kovarik, 2006). Sam pai saat ini, bioetanol dikelompokkan menjadi empat kategori, mulai dari bioetanol generasi satu (G1) hingga generasi empat (G4). Bioetanol generasi dua (G2), yang dibuat dari biomassa ligno-selulosa, sedang menjadi perhatian di banyak negara sehingga penemuan-penemuan teknologi proses maupun pemanfaatannya meningkat pesat. Bioetanol G2 menjadi tumpuan harapan sebagai salah satu bahan bakar masa depan karena empat hal utama, yaitu sebagai berikut.1) Biomassa lignoselulosa yang dipakai sebagai bahan baku bio-

etanol tidak dipergunakan untuk bahan pangan dan tersedia di banyak negara.


2) Teknologi untuk pembuatannya sangat variatif dan dapat dikembangkan sesuai jenis dan kualitas bahan baku yang tersedia di berbagai negara.

3) Industri bahan bakar bioetanol akan menggerakkan pertanian dan ekonomi negara produsen karena memanfaatkan limbah pertanian yang belum termanfaatkan sehingga memberikan nilai tambah pada bahan tersebut dan mengurangi ketergan-tungan akan impor bahan bakar minyak, terutama bagi negara- negara yang tidak atau kurang memiliki cadangan mi nyak bumi.

4) Hasil pembakaran bioetanol lebih bersih dibandingkan pem ba karan BBM. Oleh karena itu, penggunaan bioetanol se ba gai bahan bakar akan mendukung program dunia untuk merealisasikan tujuan Pembangunan Berkelanjutan (Sustainable Development Goals/SDG) dalam memperbaiki kuali tas lingkungan.

Penggunaan biomassa lignoselulosa (berupa limbah pertanian, perkebunan, sisa pengolahan hasil hutan, dan sampah kota organik) sebagai bahan baku bioetanol akan mengurangi jumlah limbah biomassa yang dibiarkan membusuk di lahan pertanian dan lahan terbuka lainnya. Proses pembusukan dan penghancuran lignose-lulosa akan menghasilkan gas rumah kaca (GRK). Oleh karena itu, pemanfaatan limbah lignoselulosa ini juga akan mengurangi GRK sehingga akan memperbaiki kualitas udara (World Energy Council, 2016).

Potensi biomassa untuk bahan baku energi dunia pada 2035 diperkirakan sebesar 150 ExaJoule (EJ) per tahun (World Energy Council, 2016). Sebagai pembanding, potensi tersebut se tara dengan sekitar 25 miliar barel minyak bumi. Sementara itu, kon sumsi energi primer dunia pada 2015 sebesar 13,1 miliar ton

Bioetanol Generasi Dua ... 301

setara minyak (tonnes of oil equivalent/TOE) (BP Statistical Review of World Energy, 2017).

Sampai dekade ini, peran bioetanol dalam total energi dunia masih sangat kecil. Di Amerika Serikat, negara produsen bioetanol bahan bakar terbesar di dunia, bioetanol pada 2017 1,63% dari total konsumsi energinya (US Energy Information Administration, 2017). Namun, karena potensi bahan baku yang besar dan beberapa manfaat lain, bioetanol menjadi fokus perhatian berbagai negara. Walaupun peran bioetanol dalam sistem energi dunia masih sa-ngat kecil, potensinya sangat besar. Hingga awal 2018, puluhan pilot plant, demo plant dan, industri komersial bioetanol G2 terus dibangun dan beroperasi di berbagai negara, misalnya di Amerika Serikat, Brasil, China, India, dan negara-negara Eropa.

Sampai saat ini, teknologi pembuatan bioetanol G2 masih me narik bagi para peneliti di berbagai negara karena beberapa hal berikut. 1) Variasi jenis, kualitas, dan ketersediaan bahan baku di ber-

bagai negara menyebabkan kebutuhan teknologi yang ber-beda.

2) Proses pembuatan etanol G2 dapat dilakukan secara biokimia, termokimia, ataupun gabungan proses biokimia dengan ter-mo kimia, yang disebut sebagai proses termo-biokimia.

3) Teknologi proses pengolahan awal dan fermentasi serta bahan pendukung yang digunakan, seperti enzim untuk hidrolisis dan ragi untuk fermentasi sangat variatif dan masih terus berkembang (Kumar & Sharma, 2017), (Kim, 2018).

Berbagai kemungkinan teknologi proses ini, ditambah dengan variasi bahan baku yang potensial di berbagai negara, membuat teknologi proses etanol G2 menjadi tantangan yang menarik bagi para peneliti. Oleh karena itu, tidak mengherankan jika perkem-


bangan jumlah paten teknologi pembuatan bioetanol G2 jauh lebih cepat dibandingkan teknologi pengolahan bioetanol generasi lainnya.

Prospek pemanfaatan bioetanol sebagai bahan bakar di Indo-nesia pernah dikaji dan dilakukan sebelum 2010, tetapi kemudian dihentikan karena rendahnya harga BBM dan meningkatnya harga bahan baku bioetanol G1. Berdasarkan peraturan Menteri ESDM No. 12 Tahun 2015, bioetanol digunakan sebagai substitusi BBM se-cara bertahap sampai menggunakan E20 pada 2025. Jika E20 dapat direalisasikan, jumlah kebutuhan bioetanol tahun 2025 diprediksi sebesar 7,9 juta kiloliter (kl) per tahun atau sekitar 19 kali kapasitas industri bioetanol dalam negeri saat ini. Untuk menghasilkan E20 tersebut, bahan baku biomassa lignoseluosa yang tersedia di dalam negeri sangat potensial untuk dimanfaatkan. Jika 30% dari jumlah limbah lignoselulosa dalam bentuk jerami padi, tongkol jagung, bagas tebu, dan tandan kosong sawit, atau sekitar 22,6 juta ton (data tahun 2014), digunakan untuk produksi bioetanol, akan da pat dihasilkan 5,2 juta kl bioetanol per tahun. Jumlah ini dapat memenuhi 65% kebutuhan bioetanol sebagai bahan bakar tahun 2025.

Di Indonesia, pembuatan bioetanol G2 telah diteliti oleh ber bagai perguruan tinggi dan lembaga litbang di Indonesia. Ber bagai penelitian tersebut menunjukkan bahwa 19 contoh bio-massa lignoselulosa dapat digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan bioetanol. Hampir semua penelitian tersebut dilakukan pada skala kecil di laboratorium sehingga belum terlihat teknologi yang paling efisien dan ekonomis. Oleh karena itu, perlu digalang kerja sama yang intensif dan produktif dari berbagai pihak untuk menghasilkan teknologi pembuatan bioetanol G2 yang dapat di-manfaatkan oleh industri di dalam negeri.


Perlu upaya yang konsisten untuk menjalankan kebijakan yang telah ada dan mendorong tumbuhnya industri bioetanol bahan bakar di dalam negeri. Dalam jangka panjang, upaya ini akan mem-berikan berbagai dampak positif di dalam negeri, antara lain peng-hematan penggunaan BBM, mendorong berkembangnya industri pertanian dan industri bahan bakar bioetanol di dalam negeri serta memanfaatkan limbah yang akan mencemari lingkungan.

Namun, penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar di dalam negeri masih menghadapi beberapa tantangan. Tantangan yang perlu diselesaikan tersebut, yaitu pengaruh sifat fisik etanol, bahan baku dan pangkalan data, neraca energi, dan proses ramah ling-kungan.

A. Pengaruh Sifat Fisik EtanolEtanol murni bersifat higroskopis, menyerap air, dan dapat bercam-pur sempurna dengan air. Oleh karena itu, pencampuran bioetanol dan BBM dapat menyebabkan campuran bahan bakar tersebut mengan dung air. Hal ini bisa menyebabkan korosi pada mesin maupun pada komponen mesin yang menggunakan bahan logam. Mengingat kelembapan udara yang tinggi pada daerah tropis, sifat higroskopis etanol ini sangat perlu diperhatikan.

Etanol dapat merusak barang berbasis karet. Pemakaian bio-etanol dengan persentase tinggi dalam BBM dapat merusak sistem saluran bahan bakar yang menggunakan karet, jika kualitas saluran tersebut tidak baik. Hal ini bisa mengganggu sistem perpipaan bahan bakar kendaraan yang terbuat dari karet atau mengandung karet (Pikunas, Pukalskas, & Grabys, 2003). Oleh karena itu, penca-rian material pengganti atau material pelapis untuk mesin dan perpipaan serta perencanaan sistem bahan bakar menjadi aktivitas riset bioetanol yang banyak dilakukan.


B. Bahan Baku dan Pangkalan DataDengan memperhatikan besarnya kebutuhan bioetanol untuk ba han bakar (jutaan kiloliter per tahun) serta dampak lingkungan dari proses pembuatan harus ditekan sekecil mungkin, penyediaan bahan baku merupakan salah satu tantangan yang perlu perhatian dalam pengembangan teknologi pembuatan bioetanol G2 di Indonesia.

Penelitian untuk mencari bahan baku yang sesuai, berjumlah besar, dan tersedia sepanjang tahun merupakan tantangan bagi riset di dalam negeri. Bahan yang sulit untuk dikumpulkan atau bahan yang tersedia hanya dalam jumlah terbatas, tidak mungkin dijadikan sebagai bahan baku industri berskala besar. Jika bahan baku harus ditanam, atau diproduksi khusus, pertimbangan biaya penyediaan lahan pertanian dan biaya penyediaan bahan baku akan menjadi penting. Oleh karena itu, kajian terkait ketersediaan bahan baku merupakan area penelitian untuk para pelaku riset bioetanol di berbagai daerah.

Dengan memperhatikan sulitnya mendapatkan data terkait po-tensi atau ketersediaan bahan baku saat ini, riset yang menghasil kan pangkalan data (database) bahan baku potensial serta penggunaan bahan baku tersebut untuk keperluan lain di berbagai daerah, me-ru pakan tantangan bagi berbagai perguruan tinggi dan para pene liti di Indonesia. Ketersediaan data potensi bahan baku di berbagai daerah akan sangat mendukung berkembangnya industri bioetanol G2.

C. Neraca EnergiTujuan produksi bioetanol adalah menghasilkan bahan bakar seba-gai sumber energi substitusi BBM. Oleh karena itu, neraca energi proses produksi harus positif. Artinya, energi yang digunakan untuk


proses pembuatan bioetanol harus lebih kecil daripada energi yang dihasilkan dari pemanfaatan bioetanol itu sendiri. Dalam proses pembuatan bioetanol dari biomassa lignoselulosa, perhitungan jumlah energi yang digunakan menjadi faktor penting agar proses produksi layak secara teknologi dan ekonomis.

Jika suatu kegiatan riset bioetanol ditujukan untuk menghasil-kan bioetanol sebagai bahan bakar, neraca energi berupa net energy ratio (NER) dan net energy balance (NEB) proses produksinya harus positif. Artinya, energi input harus jauh lebih kecil daripada energi output. Jika energi yang dipakai dalam proses produksi lebih besar daripada energi yang akan dihasilkan oleh bioetanol, proses tersebut tidak ekonomis. NER didefinisikan sebagai kandungan energi etanol dibandingkan energi yang diperlukan untuk proses pembuatan. NEB adalah kandungan energi etanol dibandingkan total energi yang dipakai sejak pertanian biomassa sampai proses produksi bioetanol (Walker, 2010). Dalam proses pembuatan bioetanol, neraca energi yang positif menjadi sangat penting karena akan me me ngaruhi keekonomian teknologi bioetanol tersebut. Neraca energi, baik NER maupun NEB, belum banyak diperhitungkan dalam berbagai kajian di dalam negeri yang menggunakan berbagai bahan baku biomassa lignoselulosa. Contoh NEB beberapa bahan pangan dan biomassa lignoselulosa dapat dilihat pada Tabel 10.1.

Tabel 10.1 NEB Beberapa Biomassa

Bahan Baku Neraca Energi

Tebu 6,5–9,5Beet (Gula) 1,1–2,3Sorgum Manis 0,9–1,1Jagung (Maize) 1–2Lignoselulosa bervariasi tergantung bahan baku, umumnya positifGasoline (Gulf Mexico Oil) 6 (pembanding)

Sumber: Walker (2010)


Tabel 10.1 memperlihatkan bahwa tebu memiliki NEB yang tinggi. Hal ini menyebabkan berbagai riset di Brasil fokus pada mengoptimalkan penggunaan tebu sebagai sumber energi terba-rukan, baik melalui produksi bioetanol G1 maupun G2. Mengingat Indonesia juga merupakan negara penghasil tebu, riset pemanfaatan ampas tebu untuk bahan baku bioetanol sebaiknya juga diperkuat.

NEB dari lignoselulosa sangat bergantung pada jenisnya. Oleh karena itu, penelitian bioetanol dari lignoselulosa perlu memper-hatikan NEB masing-masing bahan baku yang digunakan. Peng-gunaan bahan baku dengan NEB kecil tidak direkomendasikan.

D. Proses Ramah LingkunganPertimbangan dampak suatu proses produksi terhadap lingkungan harus diperhatikan sesuai kesepakatan dunia untuk merealisasikan target dalam SDG. Proses pembuatan bioetanol harus tidak meng-hasilkan limbah, atau kalaupun menghasilkan limbah maka limbah tersebut harus dapat diubah menjadi produk samping atau limbah yang tidak berdampak pada lingkungan. Proses bersih ini akan mengurangi beban lingkungan dan sekaligus meningkatkan nilai ekonomi dari teknologi yang digunakan. Oleh karena itu, tatangan dalam penelitian tidak hanya untuk menghasilkan bioetanol secara ekonomis, tetapi juga untuk mengolah atau memanfaatkan limbah yang dihasilkan selama proses produksi bioetanol G2 tersebut.

Biomassa lignoselulosa yang tersedia dalam jumlah besar dan banyak menjadi perhatian para peneliti di dalam negeri adalah sisa pengolahan sawit, seperti tandan kosong sawit (TKS) dan pelepah kelapa sawit. Perkebunan sawit Indonesia luasnya sekitar 8,4 juta hektare dan menghasilkan 21,3 juta ton minyak sawit dengan potensi TKS 10 juta ton kering. Kandungan selulosa antara 41–47%, dan dari satu ton TKS dapat dihasilkan 150 liter etanol (Jeon dkk., 2014; Sudiyani dkk., 2013). Jika 30% saja dari 10 juta ton


TKS dimanfaatkan untuk bioetanol, akan tersedia 50% kebutuhan etanol untuk dicampur dengan premium. Karena kandungan lignin sekitar 30% maka akan dihasilkan limbah lignin sekitar 1 juta ton. Jika dimanfaatkan, lignin bisa menjadi produk samping yang akan memperbesar nilai ekonomi industri bioetanol dari lignoselulosa. Namun, jika tidak dimanfaatkan, perlu dipikirkan bagaimana cara membuang 1 juta ton lignin setiap tahunnya.

Daftar PustakaBP Statistical Review of World Energy. (2017). BP statistical review of

world energy June 2017. London. Diakses dari https://www.bp.com/content/dam/bp-country/de_ch/PDF/bp-statistical-review-of-world-energy-2017-full-report.pdf.

Gustafson, C. (2010). History of ethanol production and policy. Diakses dari https://www.ag.ndsu.edu/energy/biofuels/energy-briefs/history-of-ethanol-production-and-policy.

Jeon, H., Kang, K. E., Jeong, J. S., Gong, G., Choi, J. W., Abimanyu, H., … Choi, G. W. (2014). Production of anhydrous ethanol using oil palm empty fruit bunch in a pilot plant. Biomass and Bioenergy, 67, 99–107. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2014.04.022.

Kim, D. (2018). Physico-chemical conversion of lignocellulose: Inhibitor effects and detoxification strategies: A Mini Review. Molecules, 23,(2), 309. https://doi.org/10.3390/molecules23020309.

Kovarik, W. B. (2006). Ethanol’s first century-fuel blending and substitution programs in Europe, Asia, Africa and Latin America. Diakses dari http://www.environmentalhistory.org/billkovarik/about-bk/research/cabi/ethanols-first-century/.

Kumar, A. K., & Sharma, S. (2017). Recent updates on different methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks: A review. Bioresources and Bioprocessing, 4(7), 1–19. https://doi.org/10.1186/s40643-017-0137-9.

Pikunas, A., Pukalskas, S., & Grabys, J. (2003). Influence of composition of gasoline – ethanol blends on parameters of internal combustion engine. Journal of Kones Internal Combustion Engines, 10, 3–4.

Sudiyani, Y., Styarini, D., & Triwahyuni, E, Sudiyarmanto, Sembiring, K.C., Aristiawan, Y., ... Min, H. H. (2013). Utilization of biomass waste empty fruit bunch fiber of palm oil for bioethanol production using


pilot – scale unit. Physics Procedia, 32, 31–38. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.05.005.

US Energy Information Administration. (2017). Energy use for trans-portation. Diakses dari https://www.eia.gov/energyexplained/index.php?page=us_energy_transportation.

Walker, G. M. (2010). Bioethanol: Science and technology of fuel alcohol. Diakses dari http://ebooks.bharathuniv.ac.in/gdlc1/gdlc4/Arts_and_Science_Books/science/chemistry/Books/Bioethanol%20Science%20and%20Technology%20of%20Fuel%20Alcohol.pdf.

World Energy Council. (2016). World energy resources bioenergy 2016. Diakses dari https://www.worldenergy.org/wp-content/uploads/2016/10/ World-Energy-Resources-Full-report-2016.10.03.pdf.

309

INDEKS

Acid insoluble lignin, 234Acid soluble lignin, 234Adsorben, 197–200, 203, 204,

207–11, 219, 221, 225, 228–31, 246

Adsorpsi, 197, 198, 209, 225, 227, 230

Advanced oxidation processes, 248Aktivitas enzim, 126, 127, 145Alkoholmeter, 67Ammonia Fiber Explosion, 96Amorf, 49, 50, 78, 119, 124, 225Arabinose, 49, 50Asam asetat, 125Autohidrolisis, 98Azeotropik, 24, 189, 190, 192, 193,

197

Bagase tebu, 302Bahan bakar nabati, 2, 6, 27, 28, 32,

69, 258, 290, 296Bahan kimia adi, 8, 12, 243, 245,

246

Bakteri asetogenik, 166, 170, 172, 173

Batang sawit, 59, 61Berkas elektron, 85, 86, 102, 114Biochar, 163, 172, 186, 239, 245Bioetanol G1, 22–4, 26, 27, 29, 30,

33, 76, 82, 188, 256, 259, 278–80, 282, 283, 290, 302, 306

Bioetanol G2, 5, 21, 25, 38, 64, 95, 96, 140, 190, 205, 206, 245, 256, 257, 261, 264, 267, 268, 271–73, 275, 278, 280–83, 290, 299

Bioetanol G3, 27, 29, 30, 34Bioetanol G4, 34, 35, 37Biofilm, 175, 176Biokimia, 175, 176Biomassa lignoselulosa, 5, 11, 25,

47, 48, 62, 68, 91, 140, 148, 256, 267, 273, 274, 306

Bio-oil, 252

310 Perkembangan Bioetanol G2: ...

Cairan ionik, 92, 93, 196Chemical oxygen demand, 222CO2 explosion, 97Consolidated bioprocessing, 151, 152

Degradasi, 104, 125Dehidrasi, 67, 193, 207, 210Dekristalisasi, 5, 97, 117Delignifikasi, 104Demo plant, 160, 257, 263, 270,

271, 301Distilasi, 67, 190, 192–94, 245

E2, 258, 259, 286, 287E5, 20, 21, 44, 285–87E10, 15, 18, 68, 260, 285–87E15, 16–8, 286E20, 258, 260, 284–87, 302E25, 285E85, 16, 284, 285, 287Energi, 1, 2, 10, 20, 82, 98, 155, 168,

258, 292, 304, 305Enzim, 5–7, 24, 26, 32, 35, 49, 50,

78, 89, 101, 118, 121–27, 129, 133, 134, 136–38, 141, 143, 145, 147, 148, 169, 226, 279, 281–83, 288–90, 301

Enzim selulase, 5, 6, 49, 122, 124, 126, 133

Etanol, 3–9, 11, 13–6, 18, 20–2, 23, 24, 26, 29–37, 50, 54, 55, 63, 66, 78, 91, 92, 97, 103, 105, 117, 124, 127–29, 132–34, 137–39, 141–48, 157–62, 166, 167, 169–71, 174, 179–81, 187–97, 206–08, 210, 211, 245, 246, 256, 258–60, 267, 268, 270, 278, 280, 283–86, 288, 290, 292, 295, 297, 301, 303, 305–07

Fenol, 8, 219, 221, 225, 236–39, 246Fermentasi, 2, 5, 6, 8, 11, 12, 23,

24, 26, 27, 30–3, 37, 54, 55, 63, 66, 78, 87, 90, 94, 117, 121–23, 127–29, 132–35, 137, 138, 141–45, 147, 148, 160, 162, 165, 166, 168–70, 172–74, 176–79, 181, 188, 190, 192, 194, 218–20, 243–45, 291, 295, 296, 301

Fermentor, 147, 148, 165, 181, 191, 192

Flame retardant, 8, 219, 221, 241, 242, 246–48

Flokulasi, 31, 223, 228Furfural, 50, 87, 90, 94, 96, 120

Gasifier, 162, 164, 165, 185Gasifikasi, 27, 158, 160–64, 169,

172, 180, 181, 267Gasifikasi-fermentasi, 27, 162Gas sintesa, 27, 157–70, 172–74,

176–79, 181GC, 182Gelombang mikro, 98, 99, 292Gipsum, 88Glukosa, 6, 26, 29, 33, 36, 48–50,

54, 55, 60, 63, 67, 78, 85–7, 99, 103, 118, 119, 122–24, 126–35, 137, 138, 141–43, 145, 220, 246

Glutation, 8, 219, 221, 243, 244, 246Green chemistry, 80, 93, 218, 246Gula monomer, 5, 26, 67, 117, 118

Heksosa, 49, 50Hemiselulosa, 3–6, 26, 33, 47–52,

54, 55, 57–60, 62, 63, 65, 66, 68, 76–9, 86–9, 91, 94, 97, 98, 100, 102–04, 117–20,

311Indeks

122, 125, 129, 135, 140, 146–48, 220, 232, 242

Hidrogen, 13, 27, 86, 90, 163, 164, 188, 224, 234

Hidroksi metil furfural, 87, 96Hidrolisa, 2, 123, 136Hidrotermal, 98, 203, 237–39, 241,

245, 246Holoselulosa, 48, 67, 76, 77, 118HPLC, 67, 141, 143

Inhibitor, 33, 77, 78, 79, 90, 94, 96

Jagung, 4, 14, 18, 22, 26, 35, 56–8, 62, 86, 95, 121, 135, 136, 138, 173, 180, 228, 255, 259, 262, 266, 267, 272, 274, 275, 277–80, 283, 289, 295, 296, 302

Jamur pelapuk putih, 100, 101, 226Jerami padi, 4, 26, 56, 69, 266, 292,

302

Karbon monoksida, 14, 27, 163Katalis, 13, 80, 86, 91, 95, 136,

157–62, 164, 246Klason lignin, 67Koagulasi, 223, 226–29, 235Ko-fermentasi, 135, 137, 138, 148Kristalin, 49, 50, 65, 78, 119Kristalinitas, 65, 83, 84, 86, 88, 91,

104, 141

Ledakan uap, 88, 94, 95, 103Lignin, 3, 5, 8, 12, 26, 28, 32–6, 40,

41, 47, 48, 51, 52, 56, 57, 59, 61–3, 65–9, 71, 76–8, 82, 86–91, 94, 95, 97–105,

107, 108, 111, 112, 114, 117, 140, 148, 158, 165, 219–22, 225–28, 232–39, 241–43, 246, 248–51, 254, 279, 289, 292, 294, 307

Likuifaksi, 2–4, 6, 9, 12, 22, 25–7, 32–4, 37, 38, 47, 52, 54, 55, 58, 62, 65, 66, 68, 75–8, 80, 81, 83–5, 87, 89, 91–3, 97, 99, 100, 102, 118, 119, 122, 132, 134, 140, 157, 162, 179, 181, 187, 256, 263, 265, 270, 271–74, 283, 291, 293, 299, 300, 302, 305

Limbah, 3, 4, 7–9, 11, 12, 25, 26, 33–5, 37, 47, 53, 56–60, 62, 68, 75, 77, 78, 81, 93, 101, 117, 123, 140, 141, 147, 161, 173, 187, 217–31, 235, 241–43, 245–47, 251–53, 255, 256, 260, 266, 27–74, 276, 277, 279, 283, 289, 291, 292, 294, 297, 300, 302, 303, 306, 307

Lindi hitam, 8, 81, 218–43, 246, 252, 294

Liquid hot water, 98

Media tumbuh, 165, 170, 173–77, 181

Mikroalga, 22, 27–9, 31, 32, 38Mikrob, 5, 22, 27, 32, 38, 78, 117,

124, 127, 128, 132, 137, 138, 140, 142, 147, 148, 165, 166, 169–74, 176, 177, 181, 182, 266, 267

Minimum ethanol selling price, 280, 281


Modifikasi genetika, 22, 34–8Molecular sieve, 190, 199, 207, 209,

211–13Monomer, 5, 6, 26, 48, 67, 80, 87,

117–20, 122, 135, 227Monosakarida, 124, 129, 133

Nelson-Somogyi, 66, 67NREL, 66, 67, 69, 143, 296

Oksidatif, 87, 89, 90, 244Oktan, 3, 14, 15, 18, 256Oligomer, 87, 119, 124Organosolv, 87, 91, 92, 102, 106,

110, 114, 135Ozonolisis, 89, 90

Padi, 4, 26, 53, 56, 57, 62, 69, 136, 138, 139, 228, 266, 267, 273, 276, 292, 302

Pangan, 3, 4, 7, 11, 12, 18, 24, 25, 33, 37, 75, 243, 256, 259, 260, 275, 279, 290, 299, 305

Paten, 257, 268, 269, 270, 302Pati, 3, 7, 11, 22–5, 27, 35, 38, 75Pelepah sawit, 140, 146Pemurnian, 5, 23, 27, 117, 165, 181,

187, 188, 190, 192, 196, 198, 206, 207, 209, 211, 212, 231, 232, 233, 245

Pengolahan awal, 8, 12, 23, 33–5, 165, 227, 279, 281, 288–90, 301

Pentosa, 49, 50, 118, 128Pentose, 87Pilot plant, 95, 148, 205, 207, 209,

212, 222, 237, 257, 263, 271, 288, 301, 307

Pirolisis, 85, 237, 239, 241Polimerisasi, 34, 36, 50, 83, 84, 86,

88, 104Polisakarida, 6, 31, 48, 49, 51, 52,

122, 133Polyhydroxyalkanoates, 178, 182Pressure swing adsorption, 190, 206,

212

Ragi, 24, 26, 50, 128, 129, 142, 143, 171–73, 219, 220, 243–45, 293, 295, 301

Rumput gajah, 35, 274, 295

Saccharomyces cerevisiae, 24, 26, 33, 128–30, 137, 150, 152, 153, 155, 156, 219, 243, 250–52, 291, 294, 295

Sakarifikasi, 2, 5, 6, 8, 27, 30–2, 34, 36, 63, 66, 78, 103, 117, 122, 133, 134, 137, 138, 141, 143, 144, 147, 148

Selulosa, 2–6, 26, 33, 47–49, 51, 52, 54–63, 65–8, 76–80, 83–7, 89, 90, 93, 94, 97, 100, 102, 103, 117–20, 122, 124, 129, 133, 135, 140, 141, 143, 144, 146–48, 232, 280, 306

Separate Hydrolysis and Fermentation, 132

silosa, 6, 49, 50, 54, 55, 63, 67, 118, 122, 125, 131, 132, 135, 137, 138, 141–43, 219, 243, 246

Simultaneous Saccharification and Cofermentation, 135

Simultaneous saccharification and fermentation, 151, 154, 155

SNI, 63, 66, 67, 72

313Indeks

Steam, 95–7, 106, 107, 110–12, 114, 115, 152, 154, 164, 185, 186, 190, 191, 207, 235

Stripping, 193

Tandan kosong sawit, 59, 81, 95, 140, 188, 219, 221, 262, 287, 302, 306

Tar, 163–65, 183, 237–39, 245, 246

Tebu, 4, 18, 19, 22, 25, 26, 30, 35, 36, 53, 58, 61, 62, 82, 92, 100, 132, 136, 139, 228, 259,

260, 275, 276, 284, 286, 289, 291, 293, 295, 306

Teknoekonomi, 290Termo-biokimia, 180, 301Termokimia, 27, 157, 158, 162, 180,

301Tetes tebu, 19, 25, 58, 259, 260, 276Tongkol jagung, 4, 26, 56–8, 95,

296, 302Total suspended solids, 223

Ultrasonik, 99, 100

315

ASL Acid Soluble LigninBET Brunauer, Emmett and Teller BPS Badan Pusat StatistikC5 gula pentosaC6 gula heksosaCPO crude palm oilDNS Dinitro SalisilatDP derajat polimerisasiFTIR Fourier Transform Infra RedG guaiasilG2 generasi duaGC gas chromatographyH HidroksilfenilHPLC high-performance liquid

chromatographyISL acid insoluble ligninNREL National Renewable Energy

Laboratory

PTPN PT Perkebunan NusantaraS SiringilSEM scanning electron microscopeSNI Standar Nasional IndonesiaTBS tandan buah segarTKKS tandan kosong kelapa sawitTKS tandan kosong sawitXRD x-ray diffractionBioetanol G1 etanol dari bahan

bergula atau berpatiBioetanol etanol yang dibuat

dari biomassa melalui proses biologi atau termobiokimia

Biomassa bahan organik berasal dari tumbuhan/ hewan; produk dan limbah industri budi daya (pertanian, perkebunan, kehutanan, peternakan, perikanan)

DAFTAR SINGKATAN


BBN bahan bakar nabati berasal dari biomassa

BBM bahan bakar minyak berasal dari fosil

Bioetanol G2 etanol dari biomassa lignoselulosa

Bioetanol G3 etanol dari mikroalga maupun makroalga

Bioetanol G4 etanol dari biomassa atau mikrob yang telah mengalami proses modifikasi genetika

Bpd barels per dayEBT energi baru terbarukanEBTKE energi baru terbarukan

konservasi energiESDM energi sumber daya

mineralFFV flexibel fuel vehiclesGRK gas rumah kacaGW giga wattMITANOL minyak tanah dari

etanolMTBE Methyl Tertiary Buthyl

EtherPerPres No. 5/2006 Peraturan

Presiden No. 5 Tahun 2006RISTEK riset dan teknologiTEL Tetra Ethyl LeadNMR nuclear magnetic resonance

(resonansi magnetik nuklir)COD chemical oxygen demandN NitrogenH2SO4 Asam sulfat

kGy Kilo GrayMPa Mega PascalSO2 Sulfur dioksidaHCl Asam kloridaHMF Hidroksimetil furfuralNaOH Natrium hidroksidaCa(OH)2 Kalsium hidroksidaH2O2 Hidrogen peroksidaKOH Kalium hidroksidapH derajat keasamanAFEX Ammonia Fiber ExplosionCO2 Karbon dioksidaLHW Liquid Hot WaterkHz Kilo HertzLiP Lignin peroksidaseMnP Mangan II peroksidaseLac Laccaseg/L gram per-literFuel grade etanol Etanol

konsentrasi 99,9 %IUPAC International Union of

Pure and Applied ChemistryFPU Filter Paper Unit (satuan

konsentrasi untuk enzim)IU International Unit. IU

didefinisikan sebagai jumlah enzim yang dibutuhkan untuk mengonversi 1 µmol substrat/menit

CMC CarboxymethylcellulaseSHF separate hydrolysis and

fermentation

317Daftar Singkatan

SSF simultaneous saccharification and fermentation

SSCF simultaneous saccharification and co-fermentation

ER equivalence ratio (perbandingan jumlah bahan bakar dengan udara sebagai media oksidasi dalam proses gasifikasi)

ΔG° perubahan energi bebas gibbsYE yeast extract (ekstrak ragi)MES morpholinoethane sulfonic

acidCSL corn steep liquor (limbah

industri penggilingan jagung basah yang berupa cairan kental yang larut air)

h-RPB horizontal rotating packed bed

CSTR continous stirred tank reactor

MBR monolithic biofilm reactorBCR bubble coloumn reactorTBR trickle bed reactorEtOH Etanol Asetat Asam asetatPHA PolyhydroxyalkanoatesMTPD metric tonnes per day =

metrik ton per hariTCI total capital investmentMESP minimum ethanol selling

priceB3 bahan berbahaya dan beracunLCA life cycle assessment

COD chemical oxygen demandTSS total suspended solidsPAC Poly Aluminum ChloridePAM C Polyacrylamide CationicPAM A Polyacrylamide AnionicRSM response surface methodologyCCD central composite designAOPs advanced oxidation processesBOD biological oxygen demandLC-MS liquid chromatography-

mass spectrometryb/b Berat per beratv/v volume per volumeTG/DTA thermogravimetric /

differential thermalanalysisTPC temperature programmed

calcinationsPSA particle size analyzerDBE double bond equivalentMF MicrofiltrationUF UltrafiltrationNF NanofiltrationWPC wood polymer compositeHHR heat release rateLOI level oxygen indexRpm rotation per minuteS/L solid per liquidGSH Glutation sulfihidrilUV-vis ultraviolet visiblePDA photodiode array detectorX

319

Biografi Penulis

Ajeng Arum Sari lahir di Surabaya, 13 Juni 1983, dan berhasil menyelesaikan

pendidikan Sarjana di Teknik Lingkungan, Universitas Diponegoro, pada 2005. Pendi-dikan master dan doktoralnya ditempuh sela-ma 5 tahun (2008–2013) di Ehime University, Jepang. Sejak 2006 bergabung dengan Pusat Penelitian Kimia LIPI. Terhitung mulai Juli

2019, ditempatkan di Loka Penelitian Teknologi Bersih. Bidang penelitian yang ditekuni hingga saat ini adalah teknologi lingkungan, seperti peng-olahan air limbah organik dan degradasi senyawa Persistent Organic Pollutants (POPs). E-mail: [email protected].


Ary Mauliva Hada Putri lahir pada 4 November 1987 di kota Bukittinggi,

Sumatera Barat. Pendidikan terakhir penulis saat ini adalah sarjana teknik dari jurusan teknik fisika, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Penulis memulai karier sebagai junior scientist di group penelitian fisika en-ergi dan lingkungan, Pusat Penelitian Fisika

Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Perjalanan riset dimulai dari pengolahan limbah cair tahu menjadi sumber energi biogas dengan studi kasus di Dusun Giriharja, Sumedang. Kegiatan penelitian ini se-jalan dengan topik penelitian tugas akhir penulis tentang perancangan kondisi optimum pembangkit listrik tenaga gas uap (PLTGU) dengan menggunakan bahan bakar biogas hasil pengolahan sampah, studi kasus di TPST Bantar Gebang. Pada akhir 2015 penulis aktif sebagai peneliti di grup penelitian energi biomassa, Pusat Penelitian Kimia LIPI, disebabkan oleh kebijakan reorganisasi di LIPI. Perjalanan riset penulis dilanjutkan dengan studi analisis statistik hasil pretreatment sorgum bagase untuk produksi bioetanol. Saat ini, penulis juga aktif terlibat dalam penelitian penghitungan dampak lingkungan (Greenhouse Gas Emissions /GHGEs) secara kuantitatif dengan menggunakan metode Life Cycle Assesment (LCA) untuk produk pangan berbasis kedelai di Indonesia. E-mail: [email protected].

321Biografi Penulis

Dian Burhani lahir di Padang, 1 Desem ber 1986. Dian menyelesaikan pendi dikan

Sarjana di jurusan kimia, Universitas Negeri Padang pada 2008 dan kemudian melanjutkan pendidikan Master dan lulus pada 2011 di Institut Teknologi Bandung. Dian memulai kariernya sebagai peneliti di Pusat Penelitian Kimia, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia

(LIPI) sejak 2015 di bidang teknologi bioproses dan konversi biomassa. E-mail: [email protected] ; [email protected].

Deliana Dahnum, lahir pada tangal 29 Juli 1985 di Surabaya, Jawa Timur.

Pendidikan sarjananya diraih di jurusan teknik kimia ITS pada 2008. Saat ini sedang menempuh program integratif S2–S3 di Korea Institute Science and Technology, Seoul, Korea Selatan.

Pada akhir 2008 mulai bergabung di bidang teknologi lingkungan, Pusat Penelitian Kimi LIPI Serpong sebagai peneliti. Penelitiannya pada saat itu fokus kepada pengolahan air limbah menjadi air layak pakai dan konversi biomassa menjadi men-jadi bioetanol. Sebagai peneliti, kegiatan ilmiah yang dilakukan adalah memubli kasikan hasil yang telah diperoleh di beberapa seminar nasional dan internasional. Selain itu, pada 2011, training “bioethanol production” diikutinya melalui kerja sama antara LIPI dan KOICA. Dari tahun 2015 sampai saat ini berada di Seoul untuk melanjutkan studi yang fokus pada konversi biomassa dan katalisis. E-mail: [email protected].


Eka Triwahyuni, lahir pada 8 Mei 1986 di Wonogiri, Jawa Tengah dan telah menye-

lesaikan pendidikan sarjana (S1) dari Teknik Kimia, Universitas Gadjah Mada pada 2009. Kemudian melanjutkan pendidikan master dan lulus pada 2018 di Graduate School of Energy Science, Kyoto University, Jepang.

Sejak 2010 bekerja di Pusat Penelitian Kimia Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia dan memulai karir sebagai peneliti pada tahun 2013. Saat ini sebagai peneliti pertama pada bidang Teknik kimia dan tergabung dalam kelompok penelitian Energi biomassa. Bidang penelitian yang ditekuni adalah bioproses dan bioenergi, khusus-nya konversi biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol dan produk kimia lainnya. E-mail: [email protected];[email protected].

Dieni Mansur, lahir di Bukittinggi, Sumatra Barat pada 1978. Pendidikan

terakhir adalah Doctor of Philosophy (Ph.D.) dari Graduate School of Chemical Sciences and Engineering, Hokkaido University, Jepang (2013). Sejak 2005, bekerja di Pusat Penelitian Kimia Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Sebagai seorang Peneliti Madya melakukan penelitian di bidang konversi

biomassa menjadi biofuel (bio-oil dan biodiesel) dan useful chemicals. Melalui tema penelitian tersebut selain dari LIPI juga telah diperoleh dana penelitian dalam bentuk award dari L’Oreal UNESCO for woman in science (2012) dan Indonesian Toray Science Foundation (2018). Saat ini (2018) tergabung dalam kelompok penelitian Energi Biomassa. E-mail: [email protected]; [email protected].

323Biografi Penulis

Feni Amriani Lahir di Bekasi, 6 Februari 1984 telah menyelesaikan pendidikan

Sarjana di Jurusan Teknik Kimia di Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh pada tahun 2008.

Pada tahun 2011 melanjutkan pendidikan Master di Bidang Teknik Kimia dan berhasil memperoleh gelar Magister Teknik pada tahun 2013 di Jurusan Teknik Kimia Universitas

Sumatera Utara, Medan. Sejak tahun 2015 bergabung dengan Pusat Penelitian Kimia-LIPI dan memulai karir sebagai peneliti pada tahun 2016, saat ini sebagai peneliti pertama pada bidang teknik kimia. Bidang penelitian yang ditekuni adalah bioproses. Saat ini aktif di penelitian tentang perlakuan awal biomassa, pengolahan limbah dengan konsep resources recovery. E-mail: [email protected].

Haznan Abimanyu, lahir di DKI Jakarta pada tahun 1967. Lulus dengan titel

Dipl.-Ing. dari Technische Universität Braun-schweig, Jerman. Pendidikan terakhirnya adalah Philosophy Doctor (PhD) dari University of Science and Technology (UST) Daejeon, Korea Selatan (2008). Saat ini bekerja sebagai Peneliti pada Pusat Penelitian Kimia,

Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Bidang penelitian yang banyak dilakukannya antara lain berhubungan dengan bio-energi, katalis, perekayasaan, oleokimia, atsiri dan nanoteknologi. Pernah mendapatkan proyek kerja sama dengan Korea dalam penelitian bioetanol generasi dua untuk mengembangkan laboratorium dan pilot plant. Pernah mendapat penganugerahan Satyalancana Wira Karya dari Presiden RI. E-mail: [email protected]; [email protected].


Joddy Arya Laksmono, lahir pada 22 April 1977 di Bandung, Jawa Barat. Lulus

Pendidikan S3 di Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia pada Juli 2019. Fokus penelitiannya adalah teknologi pengembangan material maju untuk diaplikasikan pada teknologi proses pemisahan dan pemurnian, khususnya adsorpsi untuk dehidrasi bioetanol.

Sejak 2000 mulai berkarier sebagai staf peneliti di Bidang Teknologi Proses dan Katalitik, Pusat Penelitian Kimia Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (PPKimia LIPI) dan melakukan penelitian, khu susnya yang berkaitan dengan Teknologi Material dan Teknik Kimia. Sejak 2015 bergabung pada Kelompok Penelitian Kimia Polimer di PP Kimia LIPI, hingga saat ini menjabat sebagai Peneliti Muda dengan Bidang Kompetensi Teknik Kimia. Selain aktif sebagai peneliti, berbagai kegiatan ilmiah dilakukan, yakni pembimbingan mahasiswa pada bebe rapa Perguruan tinggi negeri maupun swasta, komersialisasi hasil penelitian dengan mem-bina tenant yang berada di Pusat Inovasi LIPI, diseminasi hasil penelitian serta aktif menulis di berbagai sarana publikasi ilmiah, baik nasional maupun internasional bereputasi dengan ScopusID: 56069740300 dan ORCID ID 0000-0003-0664-1645. E-mail: [email protected]; [email protected].

325Biografi Penulis

Muryanto, lahir di Bogor, 7 Maret 1984 dan berhasil menyelesaikan pendi dikan

Sarjana di Jurusan Teknik Kimia di Universitas Indonesia pada tahun 2006. Pada tahun 2010 melanjutkan pendidikan Master di Bidang Teknik Kimia dan berhasil memper oleh gelar Magister Teknik pada tahun 2012 di univer-sitas yang sama. Sejak tahun 2008 bergabung

dengan Pusat Penelitian Kimia-LIPI dan memulai karir sebagai peneliti pada tahun 2012, saat ini sebagai peneliti muda pada bidang teknik kimia. Bidang penelitian yang ditekuni adalah bioenergi dan lingkungan. Saat ini aktif di penelitian tentang bioetanol dan biorefinery dari lignoselulosa, pengolahan limbah cair dan kajian lingkungan berupa life cycle assessment pada beberapa produk kimia. E-mail: [email protected].

Joko Waluyo, lahir pada 1979 di Boyolali, Jawa Tengah. Pendidikan terakhir adalah

Magister dari Teknik Kimia ITB 2013. Sejak 2006, bekerja di Pusat Penelitian Kimia, Lem-baga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Jabatan fungsional peneliti muda dan melakukan penelitian di bidang konversi biomassa menjadi bioetanol serta kajian LCA untuk sistem produk. Saat ini bergabung di

kelompok penelitian Kimia Lingkungan dan Analitik. E-mail: [email protected]; [email protected].


Syahrul Aiman, lahir di Padang Panjang, Sumatra Barat pada 1954. Pendidikan

S1 dari Jurusan Teknik Kimia ITB (1979), dan Pendidikan terakhir adalah Doctor of Philosophy (Ph.D.) dari Department of Fuel Technology, School of Chemical Engineering and Industrial Chemistry, University of New South Wales, Sydney, Australia (1989). Sejak

1980, bekerja di Lembaga Kimia Nasional (LKN), yang kemudian diubah menjadi Pusat Penelitian Kimia, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Pada 2000 membantu untuk mendirikan Pusat Inovasi LIPI, dan kemudian ditugaskan menjadi Kepala Pusat Inovasi LIPI periode 2001–2008. Pada 2008 sampai Februari 2014 ditugaskan sebagai Deputi Bidang Ilmu Pengetahuan Teknik LIPI. Sebagai seorang Peneliti Utama melakukan penelitian di bidang pemanfaatan biomassa menjadi bahan bakar nabati (BBN). Dalam periode sebagai peneliti, Syahrul telah meng-hasilkan lebih dari 80 karya tulis ilmiah, 40 di antaranya dalam bidang energi daribiomassa yang dipublikasikan melalui jurnal dan prosiding yang terbit di dalam maupun luar negeri. E-mail: [email protected], [email protected].

Sabar Pangihutan Simanungkalit, lahir pada tanggal 6 Januari 1982 di Bukittinggi

Sumatra Barat, dengan pendidikan terakhir Magister Teknik Mesin (Konversi Energi) dari Universitas Indonesia. Sejak Januari 2008, bergabung dengan Pusat Penelitian Kimia Lembaga Ilmu Pengetahuan Indo-nesia. Hingga saat ini aktif sebagai Peneliti Muda bidang Teknologi Bio-energi. Topik

penelitian yang diminati adalah waste to energy (WtE) technology, kon-versi termokimia biomassa, perancangan reaktor proses kimia dan simu-lasi Computational Fluid Dynamics (CFD). E-mail : [email protected].

327Biografi Penulis

Yan Irawan lahir pada 2 Januari 1974 di Bandung Jawa Barat. Beliau adalah

ayah dari tiga orang anak. Pendidikan ter-akhir adalah Magister (S2) dari Jurusan Ilmu Bahan (Material) Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan (FMIPA) Universitas Indonesia (UI).

Pada 2001 mulai be kerja sebagai staf peneliti di Bidang Teknologi Proses dan Katalisis Pusat Penelitian Kimia Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Pada 2014 pindah ke Kelompok Penelitian Polimer Pusat Penelitian Kimia LIPI Serpong. Mulai bulan Januari 2018 menjadi staf peneliti dan engineering di bi-dang Teknologi Proses Kimia. Program magister diraih pada Juli 2016 dengan judul tesis “Pembuatan Bio-Polimer Berbasis Asam Oleat untuk Aplikasi Enhanced Oil Recovery (EOR)”. Bidang kegiatan penelitian yang dilakukannya adalah dibidang pengolahan sawit beserta turunannya khususnya sintesa surfaktan dan energi berbasis biomassa. Sebagai peneliti dan engineer, berbagai kegiatan ilmiah dilakukannya, yakni menyelenggarakan/mengikuti pertemuan ilmiah/seminar internasional, regional, dan nasional. Sebagai penulis, saat ini diberi tanggung jawab menjadi Koordinator Pilot Plant Bioetanol Generasi 2 dan bertanggung jawab untuk membimbing/ menguji skripsi pada beberapa perguruan tinggi swasta maupun negeri. E-mail: [email protected]; [email protected].


Yanni Sudiyani, lahir pada 26 Mei 1958 di Balikpapan Kalimantan Timur, ibu dari

tiga orang anak. Pendi dikan S1 di Fakultas Biologi UGM dan Jurusan Biologi FMIPA UNPAD. Pendi dikan S2-S3 dari Faculty of Agriculture Kyoto University, Jepang.

Pada 1984 mulai bekerja sebagai staf pe-neliti bidang Fisiologi Tumbuhan di Lembaga

Biologi Nasional LIPI Bogor. Pada 1988 pindah ke Laboratorium Polimer Kayu Pusat Penelitian Fisika LIPI Serpong. Pada 2003 Laboratorium Kayu ini berubah menjadi UPT Biomaterial LIPI. Mulai bulan Agustus 2003 se-bagai peneliti Pusat Penelitian Kimia LIPI Bidang Teknologi Lingkungan, menjadi Peneliti Utama Tahun 2010. Profesor riset bidang biologi diraih pada Desember 2015 dengan judul orasinya “Pengembangan teknologi pengolahan biomassa limbah lignoselulosa untuk produksi bioetanol generasi dua”. Sebagai peneliti, berbagai kegiatan ilmiah dilakukannya yakni menyelenggarakan/mengikuti pertemuan ilmiah/seminar inter-nasional, regional, dan nasional. Sebagai penulis, juga menjadi Science Referee, mitra bestari, editor berbagai majalah ilmiah terbitan nasional maupun jurnal internasional, dan ber tanggung jawab untuk membim-bing/menguji skripsi/ tesis mahasiswa pada beberapa perguruan tinggi negeri dan perguruan tinggi. E-mail: [email protected]; [email protected].

Documents

PERKEMBANGAN BIOETANOLG2penerbit.lipi.go.id/data/naskah1573012692.pdf · Gambar 4.5 Klasifikasi Proses Perlakuan Awal yang Umum Digunakan pada Proses Pembuatan Bioetanol G2