latar belakang bahan bakar fosil -...
TRANSCRIPT
LATAR BELAKANG Bahan bakar Fosil - Persediannya menipis - Tidak ramah lingkungan
Hidrogen - Ramah lingkungan - Nilai kalor lebih besar (119,02 MJ/kg)
Indonesia
Bagasse tebu melimpah (5,706 juta ton/tahun)
37 % Selulosa 28 % Hemiselulosa
21 % Lignin
RUMUSAN MASALAH
Keterbatasan penggunaan energi berbasis fosil
Indonesia menghasilkan gula yang cukup besar dan memberikan limbah padat bagasse
tebu yang sangat besar dan belum dimanfaatkan.
Meskipun degradasi enzimatik selulosa memiliki banyak keuntungan, akan tetapi
umumnya tidak diikuti dengan konversi yang tinggi.
TUJUAN PENELITIAN
Mempelajari dan membandingkan pengaruh proses pretreatment bagasse tebu dengan H2SO4 1.5 %, NaOH 1 %, dan proses tanpa pretreatment terhadap crystallinity bagasse tebu dengan metode FTIR dan XRD.
Mempelajari dan membandingkan pengaruh variasi pH yang digunakan dalam proses fermentasi bagasse tebu pada produksi gas hidrogen.
Mempelajari dan membandingkan pengaruh jenis enzim yang digunakan dalam proses hidrolisis bagasse tebu pada produksi gas hidrogen.
LIGNIN
Lignin merupakan polimer amorf dengan berat molekul yang besar dan memiliki struktur yang kompleks yang terdapat pada dinding sel tumbuhan.
SELULOSA
Selulosa merupakan polimer glukosa linier hidrofilik yang dihubungkan oleh ikatan glioksida.
HEMISELULOSA
Hemiselulosa merupakan heteropolisakarida yang terdiri dari gabungan dari polimer dengan rantai relatif lebih pendek dan bercabang, terdiri dari monomer xylosa, arabinosa, glukosa, manosa dan galaktosa.
XYLAN
Xylan adalah komponen utama hemiselulosa yang memiliki tulang punggung rantai D-xilopiranosa dengan ikatan glikosidik β-1,4.
ENZIM XYLANASE
Xilanase merupakan kelompok enzim yang memiliki
kemampuan menghidrolisis hemiselulosa dalam hal ini ialah
xilan atau polimer dari xilosa dan xilo-oligosakarida. Xilanase
dapat diklasifikasikan berdasarkan substrat yang dihidrolisis.
β-xilosidase
Eksoxilanase
Endoxilanase
Perubahan atau variasi pH mengubah bentuk suatu enzim. Setiap enzim memiliki pH optimum yang
berbeda, di mana pada pH optimum tersebut, enzim tersebut dapat bekerja secara optimum pula. Hal itu biasanya ditunjukkan dengan grafik antara aktivitas
enzim melawan pH
X-Ray Diffraction (XRD)
Metode paling sederhana & paling banyak untuk mengukur Cristalinity Index (CrI), sehingga dapat diketahui lebih jauh tentang kristaliniti selulosa.
Cristalinity Index (CrI) adalah rasio berat, kenaikan kristaliniti dapat
dinyatakan sebagai hilangnya atau berkurangnya struktur amorf dari
suatu bahan seperti lignin dan hemiselulosa
(Maeda R.N, 2011)
Fourier Transform Infra Red (FTIR)
Metode untuk melihat struktur bahan (bagasse tebu), terutama struktur dari selulosa
Lateral Order Index (LOI)
1430 cm-1 / 897 cm
-1
Total Crystallinity Index (TCI)
1372 cm-1 / 2900 cm
-1
Nilai LOI menunjukkan jumlah selulosa tipe I
Nilai TCI menunjukkan jumlah selulosa tipe I & II
Nilai TCI mengindikasikan tingkat kristaliniti dan kepadatan struktur
selulosa suatu bahan.
• Bagasse tebu + H2SO4 1,5%
• Bagasse tebu + NaOH 1%
• Bagasse tebu tanpa pretreatment
Analisa FTIR & XRD
• Bagasse tebu + Enzim Selulase
• Bagasse tebu + Enzim Xilanase
• Bagasse tebu + (Enzim Selulase + Enzim Xilanase)
Hidrolisis
•Hasil hidrolisis terbaik + Enterobacter aerogenes pada pH 5
•Hasil hidrolisis terbaik + Enterobacter aerogenes pada pH 7
Fermentasi
Pretreatment
• NaOH 1%
• T = 60 oC
• t = 16 jam
• H2SO4 1,5%
• T = 100 OC
• t = 30 menit
Hidrolisis
• T = 60 oC
• P = 1 atm
• pH = 3
• t = 42 jam
Fermentasi
• T = 30 oC
• P = 1 atm
• pH = 5 & 7
• t = 48 jam
Temperatur, Tekanan, pH, dan Waktu Operasi
Bahan
Hidrolisis 5 gram bagasse tebu 93 U Enzim / 5 gram bagasse tebu
Pretreatment 50 gram bagasse tebu
Fermentasi Submerge Fermentation
Enterobacter aerogenes NBRC 13534
• Mekanik
• Kimiawi (H2SO4 1,5% dan NaOH 1%) Pretreatment
• Bagasse tebu + H2SO4 1,5%
• Bagasse tebu + NaOH 1%
• Bagasse tebu tanpa pretreatment
Analisa FTIR & XRD
• Selulase dari Aspergillus niger • Xilanase dari Trichoderma longibrachiatum
Pembuatan Enzim
•Bagasse tebu + Enzim Selulase
•Bagasse tebu + Enzim Xilanase
•Bagasse tebu + (Enzim Selulase + Enzim Xilanase) Hidrolisis
•Hasil hidrolisis terbaik + Enterobacter aerogenes (pH 5)
• Hasil hidrolisis terbaik + Enterobacter aerogenes (pH 7)
Fermentasi
Bagasse tebu dari hasil penggilingan gula dicuci dengan air bersih
50 gram sample bagasse tebu, dijemur di bawah sinar matahari selama 3 jam, dan ditimbang sesudah dijemur.
Bagasse tebu yang sudah digiling, dioven pada suhu 100°C selama 8 jam
Bagasse tebu diayak dengan screener dan diambil bagasse tebu yang berukuran 100-120 mesh
Bagasse tebu digiling dengan mesin penggiling
H2SO4 1,5%
T = 100 OC
t = 30 menit
NaOH 1%
T = 60 oC
t = 16 jam
50 gram bagasse tebu Disaring dan dibilas dengan kertas saring dengan bantuan pompa vacum hingga pH 7
Disimpan dalam kemasan tertutup
Dioven dengan suhu 80-90°C selama 6 jam
Dipanaskan sampai temperatur
60oC (konstan) selama 48 jam
5 gram bagasse tebu (baik tanpa
atau setelah pretreatment
Analisa kadar gula reduksi
dengan metode DNS (tiap 6
jam)
150 mL buffer sitrat 0,1 M pH
3 Enzim murni
(93 unit/5 gram bagasse tebu)
Disaring dan dipisahkan
antara hidrolisat dan
padatan
Aklimatisasi
0,35gram/L FeSO4.7H2O
50 mL larutan hidrolisis
10 ose Enterobacter aerogenes
0,35gram/L FeSO4.7H2O
450 mL larutan hidrolisis
Fermentasi
Hasil aklimatisasi
Biakan ditumbuhkan pada inkubator shaker dengan suhu 35oC dan kecepatan 125 rpm, dan dijaga pH dari substat agar tetap konstan
Yeast extract 0.5 % w/v Yeast extract 0.5 % w/v
Variabel Selulosa Hemiselulosa Lignin Abu Ekstrak Total
%w/w
Sebelum
Pretreatment 38,37 33,02 12,48 3,52 12,61 100,00
NaOH 1 % 65,79 18,31 5,47 0,11 10,32 100,00
H2SO4 1,5 % 50 30 14 2 4 100,00
Menggunakan metode Chesson (Datta, 1989), untuk mengetahui jumlah
lignocellulosa dalam bagas tebu
• Pretreatment NaOH 1 % menghasilkan kenaikan selulosa paling
tinggi dan penurunan lignin paling tinggi
0
50
100
150
200
250
5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49
Inte
nsi
ty
2
Pretreatment NaOH 1 %
Pretreatment H2SO4 1,5 %
Tanpa Pretreatment
Hasil Pembacaan analisa XRD
No. Jenis Sampel Nilai Cristalinity Index
(CrI) (%)
1 Bagasse Tebu Tanpa Pretreatment 48,46
2 Bagasse Tebu Pretreatment NaOH 1 % 68,38
3 Bagasse Tebu Pretreatment H2SO4 1,5 % 57,89
No. Jenis Sampel LOI TCL
1 Bagas Tebu Tanpa
Pretreatment
0,96 1,053
2 Bagas Tebu Pretreatment
NaOH 1 %
0,93 1,030
3 Bagas Tebu Pretreatment
H2SO4 1,5 %
0,95 1,050
Hasil Pembacaan Analisa FTIR
Jam ke-
Variabel
NaOH 1%
Enzim Selulase
NaOH 1%
Enzim Xylanase
NaOH 1%
Enzim Selulase+Xylanase
A G A G A G
0 0 0 0 0 0 0
1 0,087 1,570 0,149 2,689 0,317 5,720
3 0,159 2,869 0,281 5,071 0,436 7,868
6 0,164 2,959 0,290 5,233 0,481 8,680
12 0,165 2,977 0,311 5,612 0,485 8,752
18 0,178 3,212 0,320 5,774 0,490 8,842
24 0,180 3,248 0,306 5,522 0,507 9,149
30 0,210 3,789 0,318 5,738 0,511 9,221
36 0,198 3,573 0,334 6,027 0,543 9,798
42 0,162 2,923 0,305 5,504 0,547 9,871
48 0,208 3,753 0,358 6,460 0,561 10,123
SEMA
KIN
NA
IK
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
0 10 20 30 40
kon
sen
tras
i gu
la r
ed
uks
i (g/
L)
Jam
Enzim Selulase Enzim Xilanase Enzim Campuran
Grafik Perbandingan Hasil Hidrolisis Bagas Tebu Dengan Berbagai Enzim
• Yield gula reduksi yang dihasilkan sebesar 0,31 gram gula reduksi/
gram pretreatment bagas tebu (enzim campuran selulase dan
xylanase)
No Nama Sampel
Konsentrasi (g/L) Total
HPLC
(g/L)
DNS
(g/L)
Yield (gram gula/
gram bagas tebu
pretreatment)
Glu Xyl Gal Arab
1 Bagas Tebu Tanpa
Pre-Treatment (s+x)
jam ke 48
0.572 0.025 0.021 0.008 0.616 1.227 0,037
2 Bagas Tebu Tanpa
Pre-Treatment (s)
jam ke 48
0.014 0.025 0.022 0.009 0.070 0.649 0,002
3 Bagas Tebu Tanpa
Pre-Treatment (x)
Jam ke 48
0.357 0.016 0.017 - 0.390 0.956 0,029
4 Bagas Tebu 1 %
NaOH (s+x)
Jam ke 48
2.684 2.199 0.314 - 5.197 10.12 0,31
Data hasil analisa HPLC
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Kin
sen
tras
i Gu
la r
ed
uks
i (m
ol/
L)
Ku
mu
lati
f H
2 (
mm
ol)
Waktu (jam)
Kumulatif H2 (mmol) Konsentrasi Gula Reduksi (mol/l)
• Perubahan Konsentrasi Gula Reduksi dan Kumulatif H2 terhadap
Waktu Fermentasi pada Pretreatment NaOH 1% pH 7
• Mol H2 yang dihasilkan sebesar 23,84 mmol dengan yield 0,53 mol H2
/ mol gula reduksi terkonsumsi
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 10 20 30 40
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
0.06 K
um
ula
tif
H2
(m
mo
l/L
)
Waktu ( Jam )
Ko
nse
ntr
asi
Gu
la R
edu
ksi
(m
ol/
L)
Konsentrasi Gula Reduksi (mol/L) Kumulatif H2 (mmol)
• Perubahan Konsentrasi Gula Reduksi dan Kumulatif H2 terhadap
Waktu Fermentasi pada Pretreatment NaOH 1% pH 7
• Mol H2 yang dihasilkan sebesar 4,57 mmol dengan yield 0,1 mol H2 /
mol gula reduksi terkonsumsi
No. Peneliti Jenis strain dan
kondisi proses
Jenis substrat Hasil
1 Penelitian ini Strain: E. aerogenes,
T = 30C
pH = 7
Hidrolisat bagas tebu hasil
hidrolisis enzimatik
Mol H2 / mol
glukosa = 0,53 mol
/ mol
2 Panagiotopoul
os.I.A
2010
Strain:
C.Saccharolyticus
Hidrolisat bagas tebu hasil
hidrolisis enzimatik
Mol H2 / mol
glukosa = 3,2 mol /
mol
3 Manikkandan.
T.R 2009
Strain Bacillus.Sp
T = 32C
pH = 7
Waktu = 48 jam
Hidrolisat bagas tebu
dengan menggunakan
H2SO4
Mol H2 / mol
glukosa = 0,23
mol / mol
4 Anwar, 2011 E.aerogenes NBRC
13534
Ekstrak ragi dan gula
reduksi dari
hidrolisatsintetik
Mol H2 / mol
glukosa = 0,356
mol / mol
1 Bagasse tebu yang digunakan memiliki konsentrasi
selulosa, hemiselulosa, dan lignin berturut turut
sebesar 33%; 37%; 26%.
2 Kondisi pretreatment yang menunjukkan hasil
kadar selulosa tertinggi sebesar 65,9% dan kadar
lignin terendah sebesar 5,47 % adalah konsentrasi
NaOH 1%, pada suhu 80oC, dan selama 16 jam.
3 Dari hasil analisa XRD didapatkan nilai CrI
tertinggi adalah bagasse tebu yang telah
dipretreatment dengan NaOH 1% yaitu sebesar
68,38 %
Dari hasil analisa FTIR, nilai LOI terendah
dihasilkan pada pretreatment NaOH 1%, yaitu
sebesar 0,93
Hasil hidrolisis terbaik adalah pada pretreatment
dengan konsentrasi NaOH 1% menggunakan
campuran enzim selulase dan xylanase yaitu
didapatkan gula reduksi sebesar 10,123 g/L dengan
yield gula reduksi sebesar 0,31 g gula/g bagasse
tebu pretreatment.
Yield hidrogen yang dihasilkan berdasarkan
konsentrasi gula reduksi hidrolisat awal 10,123 g/L
adalah 0,53 mol H2/mol gula reduksi yang
terkonsumsi
4
5
6