Bioetanol

Bioetanol adalah etanol yang diproduksi dengan cara fermentasi menggunakan bahan baku hayati. Etanol adalah ethyl alkohol (C₂H₅OH) yang dapat dibuat dengan cara sintesis ethylen atau dengan fermentasi glukosa. Etanol diproduksi melalui hidrasi katalitik dari etilen atau melalui proses fermentasi gula menggunakan ragi Saccharomyces cerevisiae. Beberapa bakteri seperti Zymomonas mobilis juga diketahui memiliki kemampuan untuk melakukan fermentasi dalam memproduksi etanol (Bambang Prastowo, 2007).

Etanol adalah senyawa organik yang terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen, sehingga dapat dilihat sebagai derivat senyawa hidrokarbon yang mempunyai gugus hidroksil dengan rumus C₂H₅OH.

Etanol merupakan zat cair, tidak berwarna, berbau spesifik, mudah terbakar dan menguap, dapat bercampur dengan air dengan segala perbandingan.

a. Sifat-sifat fisis etanol

1) Rumus molekul : C₂H₅OH

2) Berat molekul : 46,07 gram / mol

3) Titik didih pada 1 atm : 78,4°C

4) Titik beku : -112°C

5) Bentuk dan warna : cair tidak berwarna

(Perry, 1984)

b. Sifat-sifat kimia etanol

1) Berbobot molekul rendah sehingga larut dalam air

2) Diperoleh dari fermentasi gula

Pembentukan etanol

C₆H₁₂O₆   ^katalis    CH₃CH₂OH

3) Pembakaran etanol menghasilkan CO₂ dan H₂O

Pembakaran etanol

CH₃CH₂OH + 3O₂

2CO₂ + 3H₂O + energi

(Fessenden & Fessenden, 1997)

Secara teoritis, hidrolisis glukosa akan menghasilkan etanol dan karbondioksida. Perbandingan mol antara glukosa dan etanol dapat dilihat pada reaksi berikut ini:

C₆H₁₂O₆ → C₂H₅OH + 2 CO₂

Satu mol glukosa menghasilkan 2 mol ethanol dan 2 mol karbondioksida, atau dengan perbandingan bobot tiap 180 g glukosa akan menghasilkan 90 g etanol. Dengan melihat kondisi tersebut, perlu diupayakan penggunaan substrat yang murah untuk dapat menekan biaya produksi etanol sehingga harganya bisa lebih mudah. Penggunaan bioetanol di antaranya adalah sebagai bahan baku industri, minuman, farmasi, kosmetika, dan bahan bakar. Beberapa jenis etanol berdasarkan kandungan alkohol dan penggunaannya adalah (1) Industrial crude (90-94,9% v/v), rectified (95-96,5% v/v), (2) jenis etanol yang netral, aman untuk bahan minuman dan farmasi (96-99,5% v/v), dan (3) etanol untuk bahan bakar, fuel grade etanol (99,5-100% v/v). Keuntungan penggunaan bioetanol sebagai bahan bakar alternative pengganti minyak bumi adalah tidak memberikan tambahan netto karbondioksida pada lingkungan karena CO₂ yang dihasilkan dari pembakaran etanol diserap kembali oleh tumbuhan dan dengan bantuan sinar matahari CO₂ digunakan dalam proses fotosintesis. Di samping itu, bahan bakar bioetanol memiliki nilai oktan tinggi sehingga dapat digunakan sebagai bahan peningkat oktan (octane enhancer) menggantikan senyawa eter dan logam berat seperti Pb sebagai anti-knocking agent yang memiliki dampak buruk terhadap lingkungan. Dengan nilai oktan yang tinggi, maka proses pembakaran menjadi lebih sempurna dan emisi gas buang hasil pembakaran dalam mesin kendaraan bermotor lebih baik. Bioetanol bisa digunakan dalam bentuk murni atau sebagai campuran bahan bakar gasoline (bensin). Dibanding bensin, etanol lebih baik karena memiliki angka research octane 108,6 dan motor octane 89,7, angka tersebut melampaui nilai maksimum yang mungkin dicapai oleh gasolin, yaitu research octane 88 (Perry, 1999).

Hidrolisa Asam Sulfat

            Hidrolisis asam adalah hidrolisis yang menggunakan asam yang dapat mengubah polisakarida menjadi (pati) menjadi glukosa. Hidrolisis asam biasanya menggunakan asam klorida (HCl) atau asam sulfat H­₂SO₄. Asam klorida bersifat sebagai katalisator pemecah karbohidrat menjadi gula, dan pada saat fermentasi akan diuraikan dengan menggunakan Sacharomyces cerevisiae (ragi) menjadi alkohol (Anonim², 2011).

            Hasil hidrolisa menunjukan penurunan kadar selulosa, hemiselulosa, dan lignin, disertai dengan naiknya jumlah kadar gula pereduksi. Hal ini dikarenakan adanya pemecahan atau pemutusan ikatan-ikatan glikosida pada selulosa dan hemiselulosa sehingga kadar glukosa pereduksi meningkat. Menurut meyer (1978), proses hidrolisa adalah suatu proses pemutusan rantai polimer pati (C₂H₁₂O₆)_n menjadi unit-unit monosakarida (C₂H₁₂O₆). Penurunan kadar lignin pada proses hidrolisa mempengaruhi peningkatan jumlah gula pereduksi yang dihasilkan. Lignin cukup sulit untuk di hidrolisis sehingga perubahan menjadi glukosa pun lebih susah, akan tetapi dengan menggunakan asam kuat akan dapat melepas lignin dari selulosa, maka selulosa akan mudah dihidrolisa oleh air (Fredy, 2011).

            Hidrolisa dengan menggunakan H₂SO₄ (asam kuat) dapat mempengaruhi kadar gula dalam tongkol jagung, hal ini disebabkan karena kandungan yang terdapat pada tongkol jagung yang berupa senyawa kompleks dapat dipecah sehingga menjadi senyawa sederhana (glukosa), sehingga kandungan glukosa pada substrat tongkol jagung bertambah. Dengan terbentuknya senyawa yang lebih sederhana akan memudahkan mikroba untuk melakukan fermentasi.

            Dari penelitian lain, penentuan konsentrasi hidrolisa menggunakan H₂SO₄ terbaik adalah 1 % pada sampel baglog jamur. Variasi yang diujikan adalah sebagai berikut.

No	Konsentrasi H2SO4
	1%  (µg/mL)	2%  (µg/mL)	3%  (µg/mL)	5%  (µg/mL)	10%  (µg/mL)
1	91,69	43,13	39,39	35,66	61,81
2	102,90	58,07	76,75	65,54	54,34
3	106,63	61,81	76,75	65,54	61,81
4	102,90	58,07	69,28	69,28	61,81
Rerata	101,03±6,47a	55,27±8,28b	65,54±17,78b	59,01±15,66b	59,94±3,37b

Keterangan:

a=beda signifikan                    b= tidak berbeda signifikan

            Dalam proses hidrolisa menggunakan asam kuat H₂SO₄, gugus H⁺ dari H₂SO₄ akan memutus ikatan glikosida pada selulosa limbah baglog jamur menjadi gugus radikal bebas. Gugus radikal bebasakan berkaitat dengan gugus OH^- dari air membentuk gula pereduksi. Rendahnya kadar gula pereduksi yang dihasilkan dari proses hidrolisis asam disebabkan oleh konsentrasi larutan H₂SO₄ yang tinggi menyebabkan jumlah air dalam komposisi larutan hidrolisa semakin sedikit, sehingga kebutuhan OH^- sebagai pengikat radikal bebas berkurang. Dari hasil perbandingan pada table diatas konsentrasi H₂SO₄ 1% menunjukan perbedaan yang signifikan dibandingkan dengan yang lainnya. Hal ini disebabkan karena semakin tinggi konsentrasi larutan H₂SO₄ pada larutan hidrolisa, maka kandungan air dalam larutan semakin sedikit. Banyaknya radikal bebas yang terbentuk dari pemutusan H⁺ dari H₂SO₄ tidak dapat terbentuk menjadi kadar gula pereduksi, sebab OH^- sebagai pengikat radikal bebas berkurang dan glukosa yang terbentuk sedikit (Fredy, 2011).

            Faktor-faktor yang berpengaruh pada hidrolisis pati antara lain :

a. Suhu

Dari kinetika reaksi, semakin tinggi suhu reaksi makin cepat pula jalannya reaksi. Tetapi apabila proses berlangsung pada suhu yang tinggi, konversi akan menurun. Hal ini disebabkan adanya glukosa yang pecah menjadi arang.

b. Waktu

Semakin lama waktu hidrolisis, konversi yang dicapai semakin besar dan pada batas waktu tertentu akan diperoleh konversi yang relatif baik dan apabila waktu tersebut diperpanjang, pertambahan konversi kecil sekali.

c. Pencampuran pereaksi

Karena pati tidak larut dalam air maka pengadukan perlu diadakan agar persentuhan butir-butir pati dan air dapat berlangsung dengan baik.

d. Konsentrasi katalisator

Penambahan katalisator bertujuan memperbesar kecepatan reaksi. Jadi semakin banyak jumlah katalisator yang dipakai makin cepat reaksi hidrolisis. Dalam waktu tertentu pati yang berubah menjadi glukosa juga meningkat.

e. Kadar suspensi pati

Perbandingan antara air dan pati yang tepat akan membuat reaksi hidrolisis berjalan cepat.

(Groggins,1992)

Fermentasi

Fermentasi adalah proses terjadinya dekomposisi gula menjdi alkohol dan karbondioksida. Proses fermentasi ini dimanfaatkan oleh para pembuat bir, roti, anggur, bahan kimia,  para ibu rumah tangga dan lain-lain. Alkohol dapat dibuat dari bahan penghasil karbohidrat apa saja yang dapat difermentasi oleh khamir. Apabila padi-padian seperti jagung dan karbohidrat  kompleks yang lain dipergunakan sebagai bahan mentah, maka pertama-tama bahan tersebut perlu dihidrolisis menjadi gula sederhana yang dapat difermentasikan (Pelczar dan Chan, 1988).

Menurut Rukmana dan Yuniarsih (2001), berdasarkan produk yang difermentasi digolongkan menjadi dua macam yaitu sebagai berikut :

1.   Fermentasi alkoholis yaitu fermentasi yang menghasilkan alkohol sebagai produk akhir disamping produk lainnya, misalnya pada pembuatan wine, cider dan tape 18.

2.  Fermentasi nonalkoholis yaitu fermentasi yang tidak menghasilkan alkohol sebagai produk akhir selain bahan lainnya, misalnya pada pembuatan tempe, antibiotika dan lain -lain.

Hasil fermentasi dipengaruhi oleh teknologi yang dipakai. Pemilihan  mikroorganisme biasanya didasarkan pada jenis karbohidrat yang digunakan sebagai medium. Misalnya untuk memproduksi alkohol dari  pati dan gula dipergunakan saccharomyces cerevisiae dan kadang-kadang digunakan untuk  bahan-bahan laktosa dari whey (air yang ditinggalkan setelah susu dibuat keju) menggunakan candida pseudotropicalis. Seleksi tersebut bertujuan didapatkan mikroorganisme  yang mampu ditumbuhkan dengan cepat dan mempunyai toleransi terhadap konsentrasi gula yang tinggi, mampu menghasilkan alkohol dalam jumlah banyak dan tahan terhadap alkohol tersebut (Said, 1987). 

Menurut Schlegel (1994), produksi utama alkohol adalah ragi, terutama dari stram Saccharomyces cerevisiae. Ragi-ragi, seperti yang juga kebanyakan fungi merupakan organisme yang bersifat aerob. Dalam lingkungan terisolasi dari udara, organisme ini meragikan karbohidrat menjadi etanol dan karbon dioksida. Ragi sendiri adalah organisme aerob pada kondisi anaerob. Dengan mengalirkan udara, maka peragian dapat dihambat sempurna dengan memasukkan banyak udara. Saccharomyces cerevisiae merupakan khamir yang penting pada fermentasi yang utama dan akhir, karena mampu memproduksi alkohol dalam konsentrat tinggi dan fermentasi spontan  (Sudarmaji, 1982)

Pembuatan etanol dengan menggunakan ragi ini hanya bisa dilakukan secara langsung pada bahan yang mengandung gula. Hal ini disebabkan karena ragi Saccharomyces cerevisiae tidak dapat menghasilkan enzim amilase. Oleh karena itu bahan yang mengandung pati seperti singkong, harus diubah dahulu menjadi glukosa. Konversi etanol maksimum yang bisa dihasilkan dari Saccharomyces cerevisiae adalah 8-12% (Hambali, 2009).

Berdasarkan pengukuran diperoleh kandungan etanol optimum yaitu pada perbandingan massa 2:20 b/v (penambahan ragi sebanyak 20 gram) dengan kandungan etanol sebesar 2,50%  v/v (48 jam) dan 2,39% v/v (72 jam), kecuali pada waktu 24 jam (pada penambahan ragi 15 gram) kandungan etanol sebesar 1,61% v/v. Dalam penelitian ini proses fermentasi menghasilkan kadar etanol optimum pada waktu 48 jam dengan kandungan etanol sebesar 2,15% v/v (1,5:20 b/v) dan 2,50% v/v (2:20 b/v) setelah 48 jam terjadi penurunan kadar etanol yang cukup signifikan, hal ini dapat disebabkan olehsuatu mekanisme oksidasi lanjutan yang mengubah etanol menjadi senyawa asam karboksilat dan turunannya.

Secara keseluruhan kondisi optimum proses fermentasi yaitu pada massa ragi sebesar 20 gram (2:20 b/v) pada waktu fermentasi selama 48 jam sesuai dengan literatur dimana pada kondisi larutan glukosa 8-15 % dengan masa ragi 10% dari volume fermentasi (2:20 b/v) optimum pada 40-50 jam (Wisnu dan Richana, 2006). Sedangkan kandungan etanol yang dihasilkan pada penelitian ini optimum pada 2,50% v/v, hasil ini tidak sesuai dengan literatur. Semestinya etanol yang dihasilkan bisa mencapai 8-10% v/v. Hal ini mungkin disebabkan besarnya kontaminan  yang ada pada proses, mengingat bahan baku berasal dari sampah sehingga membuat proses fermentasi etanol terhambat (Hambali, 2009).

Fermentasi (pada pH 4 dan pH 5) menggunakan khamir Saccharomyces cerevisiae yang sebelumnya khamir ini ditumbuhkan dalam Yeast Ekstrak dan Malt Ekstrak (YM) medium. Identifikasi senyawa bioetanol dilakukan dengan menggunakan kromatografi gas-spektrometri massa (GC-MS). Serbuk tongkol jagung seberat 70,011 gram menghasilkan etanol sebanyak 6,7 mL (pada pH 4) dan 8,9 mL (pada pH 5) dengan warna jernih bening berbau khas etanol. Data kromatogram GC hasil fermentasi menunjukkan kandungan etanol sebanyak 3,352% (pada pH 4) dan 4,452% (pada pH 5).

(Fredy, 2011).