PEMBUATAN ETANOL DARI TEPUNG UBI KAYU DENGAN MENGGUNAKAN METODE HIDROLISA Djoni Bustan*, Royen H, Enri W Manurung *Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jln. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Inderalaya Ogan Ilir (OI) 30662
ABSTRAK Ubi kayu (Mannihot utilissima) berasal dari Brazil, Amerika Selatan, menyebar ke Asia pada awal abad ke-17. Kemudian dibawa oleh pedagang Spanyol dari Mexico ke Philipina dan menyebar ke Asia Tenggara, termasuk Indonesia. Dalam studi ini, pada awalnya tepung di delignifikasi sebelum diproses kembali menjadi etanol dengan menggunakan proses hidrolisis dan asam sulfat sebagai katalisnya. Variabel penelitian yang digunakan adalah massa tepung, konsentrasi katalis dan waktu hidrolisa. Etanol dianalisis dengan menggunakan piknometer untuk menentukan densitasnya dan kadar etanol dihitung dengan metode interpolasi. Dari variasi berat bahan baku dengan konsentrasi katalis dan waktu hidrolisa didapat kadar etanol yang terbesar pada waktu hidrolisa 75 menit dan 30 gram tepung ubi kayu dengan konsentrasi katalis asam sulfat 15%(v/v). Kata kunci : Tepung Ubi Kayu, delignifikasi, hidrolisa, asam Sufat ABSTRACT Cassava (Mannihot utilissima) comes from Brazil, South America, and spread to Asia in the beginning of 17th century. Then, brought by Spain merchant from Mexico to Philipine and spread to South-East Asia, include Indonesia. In this study, at first, the starch was delignified before it was processed into etanol by hydrolyzed using sulfuric acid as the catalyst. The research variable is starch mass, catalyse concentration and time of hydrolyse. Ethanol was analysed by using picnometre in order to calculate density and ethanol amount calculated by interpolation method. From the variation of starch mass with catalyse concentration and the time of hydrolyse had be found the most ethanol amount is in the time 75 minute and ratio 30 gram starch with 15%(v/v) sulfuric acid’s volume. Keywords : Starch, delignification, hydrolyse, Sulfuric Acid
1.
PENDAHULUAN Dewasa ini masalah keterbatasan Bahan Bakar Minyak (BBM) di dunia terjadi karena bahan baku yang berasal dari fosil sudah mulai habis. Semakin berkurangnya sumber bahan bakar minyak di Indonesia sedangkan laju penggunaannya semakin meningkat mengakibatkan pemerintah harus memangkas subsidi BBM. Selain pemangkasan subsidi BBM, pemerintah juga melakukan langkahlangkah penghematan energi dan mencari sumber-sumber energi baru untuk menggantikan minyak bumi.Untuk mengurangi konsumsi BBM jenis bensin, dapat dilakukan dengan
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 19, Agustus 2013
menambahkan 10% bioetanol atau sering disebut E-10. Bioetanol dapat dengan mudah diproduksi dari bahan bergula, berpati dan berserat. Salah satu bahan berpati yang berpotensi untuk pembuatan etanol yaitu singkong, mengingat singkong dapat tumbuh di lahan kritis, mudah ditanam dan masyarakat telah mengenal dengan baik tanaman singkong ini. Pada tahun 2005 Indonesia mampu menghasilkan singkong sebanyak 19.7 juta ton (sumber: BPS, 2006). Di Indonesia, singkong memiliki arti ekonomi terpenting dibandingkan dengan jenis
Page | 9
umbi-umbian yang lain Selain itu kandungan pati dalam singkong yang tinggi sekitar 25-30% sangat cocok untuk pembuatan energi alternatif. Dengan demikian, singkong adalah jenis umbiumbian daerah tropis yang merupakan sumber energi paling murah sedunia. Selama ini pembuatan etanol, baik dari pati maupun dari biomassa lignoselulosa, menggunakan metode fermentasi yang membutuhkan waktu yang relatif lama. Kadar etanol yang diperoleh pun tidak besar, hanya sekitar 20%. Oleh karena itu, perlu diadakan penelitian pembuatan etanol dengan menggunakan metode lain yang tidak membutuhkan waktu yang lama dengan hasil yang baik. Ubi Kayu (Manihot utilissima) Tumbuhan ubi kayu (Manihot utilissima Pohl.) merupakan tanaman pangan berupa perdu dengan nama lain ketela pohon, singkong, atau cassava. Ubi kayu berasal dari negara amerika latin, atau tepatnya dari Brazil. Penyebarannya hampir ke seluruh dunia, antara lain Afrika, Madagaskar, India, serta China. Ketela pohon/ ubi kayu diperkirakan masuk ke Indonesia pada tahun 1852.
Gambar 1. Ubi Kayu Komposisi Kimia Ubi Kayu Tabel 1. Komposisi Kimia Ubi Kayu Kandungan dalam ubi kayu Air Karbohidrat Protein Serat Lemak Kalsium Fosfor Zat besi Vitamin B1 Vitamin C Thiamin Rhiboflavin Kalori
Sistematika tanaman ketela pohon / ubi kayu adalah sebagai berikut: Kingdom : Plantae Divisi : Spermatophyta (tumbuhan biji) Kelas : Dicotyledoneae Ordo : Euphorbiales Famili : Euphorbiaceae Genus : Manihot Spesies : Manihot utilissima Pati atau Amilum Pati atau amilum (CAS# 9005-25-8) adalah karbohidrat kompleks yang tidak larut dalam air, berwujud bubuk putih, tawar dan tidak berbau. Pati merupakan bahan utama yang dihasilkan oleh tumbuhan untuk menyimpan kelebihan glukosa (sebagai produk fotosintesis) dalam jangka panjang. Hewan dan manusia juga menjadikan pati sebagai sumber energi yang penting. (Wikipedia.org) Pati tersusun dari dua macam karbohidrat, amilosa dan amilopektin, dalam komposisi yang berbeda-beda. Amilosa memberikan sifat keras (pera) sedangkan amilopektin menyebabkan sifat lengket. Amilosa merupakan polisakarida, polimer yang tersusun dari glukosa sebagai monomernya. Tiap-tiap monomer terhubung dengan ikatan 1,6glikosidik. Amilosa merupakan polimer tidak bercabang yang bersama–sama dengan amilopektin menyusun pati. Amilopektin merupakan polisakarida yang tersusun dari monomer α-glukosa (baca: alfa glukosa). Amilopektin merupakan molekul raksasa dan mudah ditemukan karena menjadi satu dari dua senyawa penyusun pati, bersamasama dengan amilosa. Tabel 2. Komposisi pati ubi kayu
Unit/100 gr 63% 35,3% 0,6 gr 1,6 gr 0,2 gr 30 ml 1,1 ml 49 ml 0,06 mg 30 mg 0,12 mg 0,06 mg 75 kal
Sumber : ( Widiastoety dan Purbadi, 2008)
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 19, Agustus 2013
Komposisi
% Berat
Karbohidrat 87,87 Lemak 0,51 Protein 1,60 Air 7,80 Abu 2,22 Sumber : Widiastoety dan Purbadi,2008 Lignin Lignin adalah polimer aromatik kompleks yang terbentuk melalui polimerasi tiga dimensi dari sinamil alkohol dengan bobot molekul 11.000 (Nevel dan Zeronian, 1985).Lignin terbentuk dari fenil propana, unit-unit fenil propana terikat satu dengan lainnya dengan
Page | 10
ikatan eter (C-O-C) maupun ikatan karbonkarbon (Sjostrom, 1981). Lignin bersifat hidrofobik dan melindungi selulosa sehingga strukturnya bersifat kaku (rigid). Adanya ikatan aril alkil dan ikatan eter di dalamnya menyebabkan lignin menjadi tahan terhadap proses hidrolisis dari asam-asam universal. Lignin dapat dioksidasi oleh larutan alkali dan oksidator lain. Pada suhu tinggi, lignin dapat mengalami perubahan menjadi asam format, metanol, asam asetat, aseton dan vanilin (Judoamidjojo et al.,1989). Lignin dapat dihidrolisis dan diekstraksi dari biomassa lignoselulosik atau diubah menjadi turunan yang larut.Lignin juga larut sebagai alkali lignin bila biomassa lignoselulosik diperlakukan pada suhu tinggi dengan natrium hidroksida atau dengan campuran natrium hidroksida dan natrium sulfide. Lignin terdapat dalam semua biomassa lignoselulosa dengan jumlah yang berbeda. Pada setiap proses produksi etanol, akan diperoleh lignin sebagai residunya.
asam, yaitu asam kuat konsentrasi rendah maupun asam lemah konsentrasi tinggi. Asam yang digunakan dalam proses hidrolisis pati antara lain asam sulfat, asam klorida, asam fosfat, asam nitrat dan asam trifluoroasetat (TFA). Pemilihan asam dan konsentrasi yang akan digunakan tergantung pada jenis sampel yang akan dihidrolisis. (Sastrohamidjojo, 1995) Hidrolisis pati dengan asam dapat dilakukan dengan menggunakan asam kuat encer pada temperatur dan tekanan tinggi, dan dapat dilakukan dengan menggunakan asam pekat pada temperatur dan tekanan rendah. Proses hidrolisis pada suhu tinggi dilakukan pada kisaran suhu 160-2400C, sedangkan proses hidrolisis pada suhu rendah dilakukan pada suhu 80-1400C (Tsao, 1986). Hidrolisis bahan – bahan berpati akan menghasilkan senyawa gula sederhana, seperti glukosa, xilosa, selobiosa dan arabinosa (Darnoko, 1992; Gong 1981; Gonzales et al.,1985; Tsao et al., 1978). Asam yang biasanya digunakan untuk hidrolisis selulosa adalah asam sulfat, asam fosfat dan asam klorida.
Etanol Etanol adalah alkohol biasa dan merupakan alkohol terpenting. Pada suhu kamar etanol berupa zat cair bening, mudah menguap, dan berbau khas. Dalam kehidupan sehari-hari, alkohol dapat kita temukan dalam spiritus, dalam alkohol rumah tangga (alkohol 70 % yang digunakan sebagai pembersih luka), dalam minuman beralkohol atau dalam air tape, dan lain-lain (Fessenden dan Fessenden, 1986). Etanol adalah alkohol yang digunakan dalam minuman seperti bir, anggur, dan berbagai jenis minuman keras lainnya. Etanol dapat dihasilkan dari proses fermentasi (peragian) karbohidrat (glukosa) dengan bantuan enzim zimase dari ragi (yeast). Proses peragian berlangsung dalam dua tahap. Tahap pertama adalah perubahan polisakarida (amilum) menjadi monosakarida (glukosa) yang dikatalisis oleh enzim amilase. Tahap kedua adalah pengubahan glukosa menjadi alkohol yang dikatalisis oleh enzim zimase. Glukosa yang digunakan untuk proses fermentasi ini dapat berasal dari singkong, beras, ketan, anggur, pati gandum, dan beras (Fessenden dan Fessenden, 1986).
2.
Hidrolisis Pati Hidrolisis pati dapat dilakukan secara enzimatis dan kimiawi. Hidrolisis secara enzimatis dapat dilakukan dengan menggunakan enzim selulase, sedangkan hidrolisis secara kimiawi dapat dilakukan dengan menggunakan
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 19, Agustus 2013
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan April 2011 sampai dengan Desember 2011 di Laboratorium Penelitian proses energy pasca sarjanaUniversitas Sriwijaya Palembang. Bahan dan Peralatan Penelitian Bahan Penelitian 1) Tepung Ubi Kayu 2) Asam Sulfat (H2SO4) 3) Aquadest 4) Natrium Hidroksida (NaOH) Peralatan Penelitian 1) Beker Gelas, 1000 mL 2) Gelas ukur, 100 mL 3) Neraca analitis 4) Batang pengaduk 5) Hot plate 6) Labu ukur 250 ml 7) Erlenmeyer 500 ml 8) Termomete 9) Magnetic stirret 10) Rotary Evaporator 11) Piknometer 12) Pipet tetes Prosedur Penelitian a. Tahap Delignifikasi 1. Sebanyak 50 gram tepung ubi kayu yang telah kering direndam dalam beker gelas
Page | 11
2000 mL berisi larutan NaOH 1% dengan penambahan air sebanyak 1000 mL. 2. Campuran kemudian diaduk hingga homogen lalu dipanaskan di atas hot plate pada temperatur 100 oC selama 2 jam. 3. Setelah 2 jam, slurry hasil delignifikasi dicuci dengan air untuk menghilangkan lignin yang terlarut dan NaOH 4. Slurry yang telah dicuci dimasukkan ke dalam oven untuk menghilangkan kadar air pada temperatur 200 oC selama ± 3 jam.
6. Timbanglah piknometer yang berisi sampel destilat dengan menggunakan neraca analitis dan catat beratnya. 7. Catat suhu kamar pada saat dilakukan penimbangan. 8. Densitas dihitung dengan rumus :
Keterangan : ρ : Densitas V : Volume Piknometer 3.
c. Tahap pemurnian 1. Peralatan rotary evaporator dirangkai dengan benar. 2. Masukkan pati yang telah dihidrolisa ke dalam rotary evaporator untuk di evaporasi 3. Dalam waktu berkisar 20 – 30 menit, produk etanol diambil untuk dianalisa d. Tahap pengukuran kadar etanol 1. Alat piknometer 5 ml yang digunakan untuk mengukur kadar etanol dikeringkan ke dalam oven pada temperatur 100oC selama 30 menit kemudian dinginkan sampai suhu kamar. 2. Timbang piknometer 5 ml kosong dengan menggunakan neraca analitis kemudian catat beratnya. 3. Piknometer 5 ml diisi dengan aquadest kemudian ditimbang dengan neraca analitis dan catat beratnya. 4. Panaskan piknometer dalam oven pada tempaeratur 100oC selama 30 menit lalu dinginkan sampai suhu kamar. 5. Masukkan sampel destilat ke dalam piknometer 5 ml sampai tidak ada gelembung udara.
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 19, Agustus 2013
HASIL DAN PEMBAHASAN Tabel 3. Kadar Alkohol dengan konsentrasi H2SO4 10%(v/v) Waktu (menit)
Massa (gr)
45
60
75
90
15
2,3240%
2,4740%
3,1040%
2,8031%
3,3345%
3,3456%
3,3676%
3,1368%
2,8246%
2,7609%
3,1918%
3,0599%
30 45
Tabel 4. Kadar Alkohol dengan konsentrasi H2SO4 15%(v/v) Massa (gr)
Waktu (menit) 45
60
75
90
2,3257%
2,9413%
3,2688%
2,9731%
2,6368%
3,2458%
3,3895%
3,2467%
2,4212%
3,1895%
3,2467%
2,8137%
15 30 45
Massa (gram)
4 kadar Etanol (%)
b. Tahap hidrolisa dan pembentukan alkohol 1. Pati yang dihasilkan, ditimbang 15 gr, 30 gr, 45 gr kemudian dicampur H2SO4 10% dan H2SO4 15%. 2. Campuran pati dan asam tadi dimasukkan ke dalam erlenmeyer 500 ml yang ditutup dengan gabus dipanaskan diatas hot plate sambil diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 45 menit, 60 menit, 75 menit. Temperature dalam erlenmeyer dijaga pada 90oC. 3. Setelah dingin, hasil hidrolisa tadi dimasukkan ke botol sampel
3
15
2
30 45
1 0 30
45
60
75
90
Waktu (menit)
Gambar 2. Pengaruh Variasi Waktu Reaksi dan Massa Tepung Terhadap Kadar Etanol Dengan Konsentrasi H2SO410 %(v/v)
Page | 12
Kadar Etanol (%)
3 2
1 5
1
3 0
45
60
75
Waktu (menit)
3
45
2
60 75
1
0 30
4
Kadar Etanol (%)
Massa (gram)
4
90
0
90
0
15
30
45
60
Massa (gram)
Waktu (menit) Gambar 3. Pengaruh Varariasi waktu dan Massa Tepung Terhadap Kadar Etanol Dengan Konsentrasi H2SO410 %(v/v)
Gambar 5. Pengaruh Variasi Massa Pati dan Waktu Reaksi Terhadap Kadar Etanol Dengan Konsentrasi H2SO415 %(v/v)
Pada Gambar 2 dan Gambar 3, terlihat hubungan kadar alkohol yang dihasilkan dengan variasi waktu reaksi hidrolisa dan berat bahan baku dengan katalisnya. Kadar alkohol maksimum terbentuk pada waktu reaksi 75 menit dengan berat bahan baku dengan katalis 30 gr:15%, yaitu sebesar 3,3895%. Sedangkan kadar alkohol terendah terbentuk pada waktu reaksi 45 menit dengan rasio berat bahan baku dan katalis 15 gr:10%, yaitu sebesar 2,3240%. Lamanya hidrolisa divariasikan 45, 60, 75 dan 90 menit dengan temperatur reaksi dijaga 90 oC. Pada berat bahan baku dengan volume katalis kadar alkoholnya cenderung naik pada waktu reaksi 45 – 75 menit yang ditunjukkan oleh kedua grafik diatas dan kemudian menurun menuju menit ke-90.
Pada Gambar 4 dan Gambar 5, terlihat bahwa kadar alkohol maksimum terbentuk pada setiap rasio berat bahan baku adalah pada waktu 75 menit. Pada berat bahan baku dengan katalis 15gr:10% kadar alkohol terbesar adalah 3,1040%. Pada berat bahan baku dengan katalis 30gr:10% kadar alkohol terbesar adalah 3,3676%. Pada berat bahan baku dengan katalis 45gr:10% kadar alkohol terbesar adalah 3,1918%. Sedangkan pada berat bahan baku dengan katalis 15 gr:15% kadar alkohol terbesar adalah 3,2688%. Pada berat bahan baku dengan katalis 30gr:15% kadar alkohol terbesar adalah 3,2467%. Pada berat bahan baku dengan katalis 45 gr:15% kadar alkohol terbesar adalah 3,3895%. Pada setiap waktu reaksi terlihat bahwa grafik memiliki kecenderungan meningkat pada berat bahan baku 15gr:10% sampai dengan 30gr:10% dan sama halnya juga dengan berat bahan baku dengan katalis 15gr:15% sampai 30gr:15% lalu kemudian turun pada berat bahan baku dengan katalis 45gr:10% dan 45gr:15%. Dari ke-4 gambar diatas dapat disimpulkan bahwa berat bahan baku dengan katalis asam sulfat 30gr:15% dengan waktu reaksi 75 menit memberikan persentase kadar alkohol terbesar. Hal ini membuktikan bahwa waktu reaksi maksimum dalam pembentukan alkohol dari bahan baku pati (tepung) adalah 75 menit. Bila waktu reaksi ditingkatkan, maka ada kemungkinan terjadi penguapan alkohol yang semakin besar. Berat bahan baku dengan katalis asam sulfat sebesar 30gr:15% merupakan rasio yang maksimum dalam pembentukan etanol. Kenaikan berat bahan baku dengan volume larutan asam sulfat sebagai katalis yang tetap menyebabkan konsentrasi katalis menjadi
4
Kadar Etanol(%)
Waktu (menit)
3
45 60
2
75
1
90
0 0
15
30
45
60
Massa (gram) Gambar 4. Pengaruh Variasi Massa Pati dan Waktu Reaksi Terhadap Kadar Etanol Dengan Konsentrasi H2SO410 %(v/v)
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 19, Agustus 2013
Page | 13
berkurang sehingga akan menurunkan kecepatan reaksi katalis. Akibatnya, aktivasi katalis menjadi tidak maksimal dan pati yang terkonversi menjadi etanol semakin berkurang. Sebaliknya pada rasio berat bahan baku 15:10%, bahan baku yang akan dikonversi menjadi etanol tidak sebanyak pada rasio 30:15% sehingga kadar etanol yang terbentuk juga rendah. Dapat disimpulkan bahwa kadar etanol yang terbentuk akan semakin besar bila waktu reaksi dan berat bahan baku dengan katalis meningkat hingga mencapai waktu reaksi dan rasio berat bahan baku dengan katalis yang maksimum. Namun, kadar etanol akan menurun jika waktu reaksi dan rasio berat bahan baku telah melampaui waktu reaksi dan rasio berat bahan baku maksimum. Dari penelitian ini, diperoleh waktu reaksi maksimum untuk mendapatkan kadar etanol terbesar adalah pada waktu reaksi 75 menit dengan rasio berat bahan baku dengan katalis asam sulfat 30gr:15%.
Rahmayanti, Dian. 2010. Pemodelandan Optimasi Hidrolisa Pati menjadi Glukosa. Diakses pada tanggal 1 Maret 2011. (http://research.undip.ac.id/Pembuatan bioethanol.pdf).
4.
Aritonang. A dan Rika Lumban Gaol. 2010. Pembuatan Etanol dari Serbuk Pelepah Pisang Kepok dengan Menggunakan Metode Hidrolisa. Universitas Srwijaya. Palembang.
1.
2.
KESIMPULAN Dari,penelitian diperoleh kadar etanol terbesar, yaitu 3,3895% pada waktu reaksi 75 menit dan rasio berat bahan baku dengan volume katalis sebesar 30gr:15%v/v. Bahan baku akan terkonversi maksimum saat waktu hidrolisa mencapai waktu yang optimum pada konsentrasi katalis yang tepat.
NN.2010.Pembuatan Bioethanol dari Ubi Kayu. Diakses pada tanggal 1 maret 2011.(http://www.google.com//Pembuata n Bioethanol/Ubi Kayu/). Nurdyastuti, Indyah. 2005. TeknologiProses Produksi Bioethanol. Diakses pada tanggal 16 Mei 2011.(http://www.google.com/Bio_ethan ol.pdf/). NN.2005. Tinjauan Pustaka dan Deskripsi Proses Pembuatan Bioethanol. Diakses pada tanggal 7 April 2011.(http://www.usu.ac.id/Penelitian Bioethanol/).
Rikana, Happy dan Risky Adam. 2008. Pembuatan Bioethanol dari Singkong secara Fermentasi Menggunakan Ragi Tempe. Diakses pada tanggal 1 Maret 2011.(http://www.undip.ac.id/makalah_b ioetanol_Happy_R.pdf/).
DAFTAR PUSTAKA Jannes . R & Dominik . R . 2007. Biofuel Technology Handbook .WIP Renewable Energies. Germany.
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 19, Agustus 2013
L.Watson, MJ Dallwitz.1992. Ubi Kayu. Diakses pada tanggal 1 Maret 2011.(http://makalah ubi kayu.pdf/)
Page | 14
