Fed Batch Saccharification of Primary Paper Mill Sludge to Produce ... : Mukharomah Nur Aini,  dkk.

## SAKARIFIKASI LUMPUR PRIMER INDUSTRI KERTAS SECARA FED BATCH MENJADI GLUKOSA UNTUK PEMBUATAN BIOETANOL
Mukharomah Nur Aini*, Rina S Soetopo, Krisna Septiningrum, Saepulloh, Prima Besty Asthary Balai Besar Pulp dan Kertas Jl. Raya Dayeuhkolot No. 132, Bandung
Diterima : 26 Juli 2017, Revisi akhir : 22 Desember 2017, Disetujui terbit : 30 Desember 2017

## FED BATCH SACCHARIFICATION OF PRIMARY PAPER MILL SLUDGE TO PRODUCE FERMENTABLE SUGAR

## ABSTRACT
Research  of  fed  batch  saccharification  using  paper  mill  primary  sludge  from  Waste  Water  Treatment Plant (WWTP) has been conducted. The research was conducted in several stages i.e. sludge characterization, determining optimum dosage of cellulase and glucosidase through batch saccharification, and continued with fed batch saccharification. The characterization was performed on 3 primary sludge type from 3 paper mill, which are print paper mill with virgin pulp raw material, paper tisu mill with virgin pulp raw material and core board mill with waste paper raw material.  The characterization results showed that the sludge derived from the tisu paper mill with virgin pulp raw material has the highest content of cellulose which is 47.06%, this sludge was used as further research material. The initial trial of batch saccharification at 6% w/w and temperature of 60 o C gave optimum dosage of cellulase 9 FPU/g cellulose and β-glucosidase 80 IU/g cellulose with reducing sugar 20.01 g/L and a saccharification efficiency of 63.84%. Fed batch saccharification was performed on tisu paper mill sludge at cellulase and glucosidase enzyme doses respectively 9 FPU/g cellulose and 80 IU/g cellulose, temperature 60°C and initial pH of 4 with two variables, which are cumulative solid content (10%, 14%, and 18% w/v) and feed enzyme system (at the beginning and in step). The best results were obtained at fed batch sakarifikasi with gradual enzyme feeding at 14% solids content resulting in reducing sugar 43.899 g/L and efficiency 60.03%.
Keywords: primary sludge, saccharification, fed batch, cellulase, β-glucosidase

## ABSTRAK
Penelitian sakarifikasi lumpur primer dari Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) industri kertas secara fed batch telah dilakukan. Penelitian dilakukan dalam beberapa tahap yaitu karakterisasi lumpur, penentuan dosis optimum selulase dan glukosidase melalui sakarifikasi batch dan dilanjutkan tahap sakarifikasi fed batch . Karakterisasi dilakukan terhadap 3 jenis lumpur primer, masing-masing yang berasal dari pabrik kertas cetak berbahan baku virgin pulp , pabrik kertas tisu berbahan baku virgin pulp dan pabrik kertas coreboard berbahan baku kertas bekas. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa lumpur yang berasal dari industri kertas tisu berbahan baku virgin pulp memiliki kandungan selulosa tertinggi yaitu 47,06% sehingga digunakan lanjut sebagai bahan penelitian. Percobaan awal sakarifikasi batch pada kadar padatan lumpur 6% dan suhu 60 o C memberikan kondisi optimum dosis selulase 9 FPU/g selulosa dan β-glukosidase 80 IU/g selulosa dengan menghasilkan gula pereduksi sebesar 20,01 g/L dan efisiensi sakarifikasi 63,84%. Sakarifikasi secara fed batch dilakukan terhadap lumpur primer dari pabrik kertas tisu pada pada dosis selulase dan glukosidase masing-masing 9 FPU/g selulosa dan 80 IU/g selulosa, suhu 60°C, pH awal 4 dengan 2 variabel yaitu perlakuan kadar padatan lumpur (10%, 14%, dan 18%) dan sistem pengumpanan enzim (secara bertahap maupun di awal). Hasil penelitian terbaik diperoleh pada sakarifikasi fed batch dengan pengumpanan enzim secara bertahap pada kadar padatan 14% yang menghasilkan gula pereduksi 43,899 g/L dan efisiensi 60,03%.
Kata kunci: lumpur primer, sakarifikasi, fed batch , selulase, β- glukosidase
Jurnal Selulosa Vol. 7 No. 2 Desember 2017 Hal. 69 - 78

## JURNAL SELULOSA
e-ISSN: 2527 - 6662 p-ISSN: 2088 - 7000
© 2017 - CPP All rights reserved. Open access under CC BY-NC-SA license. ( http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ )
DOI: http://dx.doi.org/10.25269/jsel.v7i02.169

## PENDAHULUAN
Industri  kertas  menghasilkan  limbah  lumpur yang berasal dari Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) dalam jumlah cukup banyak, yaitu 4 – 10% berat produk pada industri kertas dengan bahan baku virgin pulp , dan 10 – 50% berat produk pada industri kertas dengan bahan baku serat daur ulang (Lynd et  al., 2001).  Lumpur  IPAL  dari  industri pulp dan kertas umumnya terdiri dari lumpur primer dari IPAL sistem fisika-kimia yang berupa serat halus dan lumpur sekunder dari IPAL sistem biologi yang berupa biomassa mikroba (Soetopo et al., 2012). Lumpur primer memiliki komponen utama berupa serat ( fines reject ) yang tidak dapat didaur ulang lagi karena ukuran serat terlalu kecil pada screen dan mesin kertas. Selain serat pendek ( fines  reject ),  lumpur  primer  juga  mengandung kaolin, filler dan kontaminan lain yang dihasilkan industri  pulp  dan  kertas  (Marques et  al., 2008; Elliston et  al., 2013).  Komponen  utama  dari fines  reject yang berasal dari industri kertas tersebut adalah selulosa yang merupakan bahan yang potensial untuk dihidrolisis menghasilkan glukosa, dan bila difermentasi lebih lanjut akan menghasilkan etanol.
Serat yang terkandung di dalam lumpur primer telah  mengalami  proses  kimia  dan  fisika  pada proses pembuatan pulp dan kertas sebelumnya, yaitu proses pulping , bleaching,  dan  refining, yang efektif mengurangi lignin dan hemiselulosa sehingga polisakarida di dalamnya lebih mudah  dihidrolisis  secara  enzimatis.  Kondisi ini dapat mengurangi energi yang diperlukan untuk perlakuan awal yang bertujuan untuk meningkatkan kemampuan hidrolisis enzimatis seperti yang umumnya diperlukan pada bahan baku bioetanol yang berasal dari bahan ligno selulosa  (Marques et  al., 2008;  Elliston et  al., 2013).  Selain  itu,  penggunaan  lumpur  primer sebagai bahan baku bioetanol memungkinkan untuk integrasi proses ke infrastruktur pabrik yang telah ada (Fan dan Lynd, 2007).
Penelitian pembuatan bioetanol dari lumpur industri pulp dan kertas telah dilakukan melalui proses  sakarifikasi  fermentasi  semi  simultan secara batch (Soetopo et  al., 2012).  Pada penelitian  tersebut  sakarifikasi  lumpur  secara batch menghasilkan gula pereduksi yang meningkat dari kadar padatan 2% sampai kadar padatan 6%, namun pada kadar padatan 8% ke atas menunjukkan penurunan. Penurunan tersebut terjadi  karena  pencampuran  antara sludge
(kadar padatan di atas 6%) dengan enzim tidak dapat berlangsung sempurna sehingga reaksi hidrolisis menjadi kurang efektif. Penelitian tersebut menghasilkan bioetanol dengan kadar rendah pada kisaran 28,9 – 34,5 g/L, sehingga kurang ekonomis bila dilakukan distilasi untuk menghasilkan etanol murni. Sakarifikasi secara batch sludge primer dari kertas tisu toilet dilakukan  pada  konsentrasi  substrat  4,08% dan diperoleh derajat sakarifikasi 82,1% (Peng dan  Cheng,  2011).  Menurut  (Prasetyo et  al., 2011) agar biaya distilasi ekonomis, diperlukan konsentrasi bioetanol dalam umpan distilasi minimal 40 g/L.
Untuk menghasilkan etanol dengan konsentrasi tinggi diperlukan kadar selulosa yang tinggi, sehingga kadar glukosa yang dihasilkan dari sakarifikasi juga tinggi. Kendala yang  dihadapi  pada  sakarifikasi  dengan  kadar padatan tinggi adalah perlunya pengadukan pada  konsentrasi  substrat  ( sludge )  yang  tinggi terutama  diatas  20%  (Elliston et  al. ,  2014). Terjadinya masalah pada pengadukan tersebut, disebabkan oleh viskositas medium yang tinggi. Selain itu kadar padatan yang tinggi juga akan meningkatkan  konsentrasi  inhibitor  (Olofsson et al .,  2010;  Elliston et al .,  2014).  Salah  satu cara  untuk  mengatasi  kendala  tersebut  adalah menggunakan  pengumpanan  secara fed batch . Pada proses sakarifikasi secara fed batch , umpan ditambahkan  secara  bertahap  yaitu  pada  saat substrat telah terdegradasi sehingga viskositas media  berkurang  (Elliston et al .,  2013). Sakarifikasi kertas bekas dengan pengumpanan secara  bertahap  pada  kadar  padatan  kumulatif 50% menghasilkan gukosa dengan konsentrasi 1,33  mol/L  dan  derajat  sakarifikasi  mendekati 99% (Elliston et al. , 2014).
Untuk menghasilkan etanol dengan yield yang tinggi dan konsentrasi cukup besar, maka proses Sakarifikasi dan Fermentasi Semi Simultan (SFSS) secara fed batch merupakan proses yang tepat. Proses ini meliputi hidrolisis awal secara fed batch , kemudian  dilanjutkan  dengan  proses  SFS  tanpa memisahkan antara hidrolisat dan endapannya. Faktor yang berpengaruh terhadap hidrolisis secara fed batch antara lain kadar padatan substrat dan cara pengumpanan selulase dan ß glukosidase. Pada penelitian ini dilakukan hidrolisis secara fed batch yang dilakukan pada dosis optimum selulase dan ß glukosidase. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kadar padatan lumpur optimum dan cara  pengumpanan  selulase  dan  ß  glukosidase
Fed Batch Saccharification of Primary Paper Mill Sludge to Produce ... : Mukharomah Nur Aini,  dkk.
yang tepat pada sakarifikasi lumpur primer industri kertas secara fed batch .

## BAHAN DAN METODE

## Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah  lumpur  primer  dari  IPAL  yang  diambil dari 3 (tiga) pabrik kertas yang berbeda produk dan bahan bakunya, yaitu lumpur A (berasal dari pabrik kertas dengan produk kertas cetak berbahan baku virgin pulp ), lumpur B (berasal dari pabrik kertas tisu berbahan baku virgin pulp ) dan lumpur C (berasal dari pabrik kertas coreboard berbahan baku  kertas  bekas).  Lumpur  A  dan  C  diambil dari unit primary  clarifier, sedangkan lumpur B diambil dari hasil proses belt  press . Proses hidrolisis  selulosa  dilakukan  secara  enzimatis menggunakan  selulase  dengan  aktivitas  18,06 FPU/mL dan β-glukosidase dengan aktivitas 214 IU/mL. Larutan penyangga natrium sitrat 0,2 M digunakan untuk pengkondisi pH pada proses hidrolisis.

## Metode
Secara  garis  besar  penelitian  dilakukan dalam  tiga  tahap  yaitu  (1)  karakterisasi  dan perlakuan  awal  lumpur  primer,  (2)  percobaan pendahuluan penentuan dosis optimum selulase dan β-glukosidase,  (3)  sakarifikasi  secara fed batch terhadap lumpur terpilih dan sebagai pembanding  dilakukan  juga  sakarifikasi  secara batch .

## 1.  Karakterisasi dan Perlakuan Awal Lumpur Primer
Karakterisasi lumpur primer dilakukan di Balai  Besar  Pulp  dan  Kertas  (BBPK)  yang meliputi beberapa parameter yaitu kadar selulosa (SNI 0444 : 2009), hemiselulosa (SNI 14-1304- 1989),  lignin  (SNI  0492-2008),  abu  (SNI  ISO 776  :  2010),  ekstraktif  (14-1032  :  1989),  dan logam  berat  (Fe,  Ni, Ag,  Co,  Pb,  Cd,  Zn,  Cu, Cr)  yang  mengacu  pada  Standard  Nasional Indonesia  (SNI)  tahun  2009.  Perlakuan  awal terhadap lumpur primer meliputi pengeringan dengan  cara  dikering  anginkan,  penggilingan menggunakan hammer  mill , dan penyaringan untuk memperoleh lumpur yang homogen pada ukuran sekitar 60 mesh.

## 2.  Percobaan Pendahuluan Penentuan Dosis Optimum Selulase dan Β-Glukosidase
Penentuan dosis optimum selulase dan β-glukosidase pada sakarifikasi dilakukan secara batch di dalam labu Erlenmeyer 250 mL dengan volume cairan 100 mL, kadar padatan lumpur 6%, dan pH awal 4,5 yang diatur menggunakan larutan penyangga  natrium  sitrat  0,2  M.  Sakarifikasi dilakukan menggunakan shaker  water  bath dengan  kecepatan  110  rpm  pada  suhu  60 o C. Dari  hasil  percobaan  pendahuluan  sakarifikasi dengan selulase diperoleh waktu optimum 3 hari, sehingga penentuan dosis optimum selulase dilakukan selama 3 hari dengan variasi dosis selulase  (1,8  –  14  FPU/g  selulosa).  Sedangkan penentuan  dosis  optimum  β-glukosidase dilakukan pada dosis optimum selulase, selama 7 hari dengan variasi dosis β-glukosidase (0 – 100 IU/g  selulosa).  Setiap  24  jam  sekali  dilakukan sampling untuk analisis gula pereduksi.
3. Sakarifikasi Fed Batch terhadap Lumpur Primer Terpilih
Sakarifikasi  lumpur  primer  dilakukan  dalam reaktor berpengaduk berukuran 300 ml dengan volume cairan 100 mL, pada suhu 60 o C, pH awal 4, dengan dosis selulase 9 FPU/g selulosa dan ß-glukosidase  80  IU/g  selulosa  selama  96  jam. Perlakuan sakarifikasi dapat dilihat pada Tabel 1. Sakarifikasi dilakukan secara fed batch (perlakuan 1 sampai 6), dan sebagai pembanding dilakukan juga  sakarifikasi  secara batch (perlakuan  7 sampai  9).  Percobaan  sakarifikasi  baik  secara batch maupun fed batch dilakukan pada variasi kadar  padatan  10,  14  dan  18%.  Pada  proses sakarifikasi fed batch dilakukan pengumpanan lumpur primer di awal sebanyak 6 g, selanjutnya dilakukan penambahan lumpur primer sebanyak 4 g secara bertahap setelah 6, 24, dan 30 jam proses sakarifikasi hingga dicapai kadar padatan lumpur kumulatif 10, 14, dan 18%. Pengumpanan selulase dan ß-glukosidase  dilakukan  dengan  dua  cara yaitu sekali pada awal proses sakarifikasi ( batch ) dan secara bertahap ( fed batch ) bersamaan dengan lumpur sesuai dengan perlakuan. Masing-masing perlakuan  sakarifikasi  ( batch dan fed batch ) dilakukan  3  ulangan.  Sampling  dilakukan  setiap 24 jam sekali untuk pengukuran pH dan analisis glukosa sebagai gula pereduksi (Metode Somogyi Nelson) menggunakan spektrofotometer UV-VIS pada panjang gelombang 620 nm.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Karakterisasi Lumpur Primer
Pada penelitian ini digunakan lumpur primer yang diambil dari tiga industri kertas yang berbeda. Hasil karakterisasi lumpur primer dapat dilihat pada Tabel 2.
Serat selulosa yang terkandung dalam lumpur di industri kertas dapat berasal dari serat yang lolos dari pembuatan buburan pulp, reject proses penyediaan stok, pembuatan lembaran kertas (mesin  kertas)  dan  unit  pemulihan  serat  yang masuk  ke  pengolahan  IPAL  sistem  kimia  fisika. Lumpur  tersebut  merupakan  serat  lolos screen dan mesin kertas yang tidak dapat didaur ulang kembali karena berpengaruh pada penurunan kualitas  kertas  yang  dihasilkan  (Marques et  al., 2008).  Berdasarkan  data  hasil  karakterisasi  pada Tabel 2, komposisi ketiga lumpur primer yang digunakan berbeda antara lumpur primer yang satu dengan yang lainnya. Jumlah maupun karakteristik lumpur sangat bervariasi tergantung dari bahan baku, proses pembuatan, dan produk yang dihasilkan (Soetopoet al., 2012). Dari data Tabel 2 terlihat bahwa lumpur primer pada penelitian ini mayoritas mengandung selulosa, hemiselulosa, lignin, ekstraktif dan anorganik. Ketiga lumpur primer tersebut mengandung selulosa dalam rentang 36,80-47,06% dengan kandungan selulosa tertinggi terdapat pada lumpur primer dari industri kertas tisu berbahan baku virgin  pulp (lumpur B).  Namun,  secara  umum  kandungan  selulosa dalam lumpur yang digunakan dalam penelitian
ini lebih rendah dibandingkan dengan kandungan selulosa dalam lumpur primer yang berasal dari industri kertas dengan bahan baku yang sama yang dilakukan beberapa tahun sebelumnya yaitu 73,45% (industri kertas dengan bahan baku virgin pulp), 55,29% (industri kertas dengan bahan baku kertas  bekas)  (Soetopo et  al., 2012)  dan  60,9%
(pabrik kertas tisu toilet) (Peng dan Chen, 2011).
Hal tersebut kemungkinan karena saat ini recovery  serat  pada  industri  kertas  sudah  lebih bagus dibandingkan sebelumnya, sehingga serat yang terbuang ke IPAL lebih sedikit dan kandungan selulosa dalam lumpur primer menjadi berkurang. Menurut  (Alda,  2008)  komposisi  lumpur  primer industri kertas cenderung beragam dan tergantung
Tabel 1. Perlakuan Sakarifikasi Lumpur Primer
Perlakuan Lumpur primer Cara Pengumpanan Selulase dan Glukosidase Cara Pengumpanan Kadar Padatan Waktu Pengumpanan dan Jumlah Umpan (g) Jam ke 0 Jam ke 6 Jam ke 24  Jam ke 30 1 Fed batch 10 6 4 - - Batch 2 Fed batch 10 6 4 - - Fed batch 3 Fed batch 14 6 4 4 - Batch 4 Fed batch 14 6 4 4 - Fed batch 5 Fed batch 18 6 4 4 4 Batch 6 Fed batch 18 6 4 4 4 Fed batch 7 Batch 10 10 - - - Batch 8 Batch 14 14 - - - Batch 9 Batch 18 18 - - - Batch Tabel 2. Komposisi Lumpur Primer Industri Kertas No.  Parameter Lumpur Primer A B C 1 Selulosa,% 39,16 47,06 36,80 2 Hemi selulosa,% 5,86 5,52 8,80 3 Lignin,% 11,28 12,46 16,47 4 Ekstraktif,% 1,10 5,0 6,51 5 Abu,% 36,23 18,25 23,54 Keterangan:
A: Lumpur primer dari primary clarifier pabrik kertas cetak berbahan baku virgin pulp
B: Lumpur primer dari belt press pabrik kertas tisu berbahan baku virgin pulp C: Lumpur primer dari primary clarifier pabrik kertas coreboard berbahan baku kertas bekas
Fed Batch Saccharification of Primary Paper Mill Sludge to Produce ... : Mukharomah Nur Aini,  dkk.
pada  efisiensi  sistem  fibre  recovery  yang  dapat mempengaruhi kandungan inorganik dalam lumpur  tersebut.  Selulosa  pada  lumpur  primer berasal  dari  serat-serat  halus  ( fines )  yang  lolos dari proses penyedian stok ( stock preparation ) dan mesin kertas kemudian masuk ke dalam sistem IPAL (Alkasrawi et al., 2016). Lignin berpotensi sebagai inhibitor pada proses hidrolisis selulosa secara enzimatis. Keberadaan lignin bersifat sangat menghambat dalam proses degradasi selulosa dan hemiselulosa menjadi glukosa (Anindyawati, 2009). Kandungan lignin pada sampel lumpur primer bervariasi pada rentang  11,28-16,47%.  Rendahnya  kandungan lignin merupakan kelebihan yang dimiliki oleh lumpur primer yang berasal dari industri kertas berbahan baku pulp virgin .  Semakin  rendah kandungan lignin, akan semakin besar tingkat efisiensi  hidrolisis  selulosa  secara  enzimatik (Mussatto et  al., 2008).  Hal  tersebut  terjadi karena  lignin  merupakan  penghalang  fisik  bagi selulosa yang akan dihidrolisis oleh selulase dan lignin akan menyerap dan membuat selulase tidak aktif (Gao et al., 2014). Selain itu, produk degradasi lignin berpotensi menghambat aktivitas enzim  selulase  dalam  proses  sakarifikasi.  Hasil degradasi lignin seperti tannin, gallik, hidroksil sinamik dan asam 4-hidroksibenzoat, bersama dengan vanillin dapat menyebabkan deaktivasi selulase/β-glukosidase  sebesar  20-80%  setelah inkubasi  24  jam  (Ximenes et  al., 2011). Kandungan  lignin  dalam  lumpur A  dan  lumpur B tidak berbeda jauh, karena keduanya berasal dari industri kertas dengan bahan baku yang sama yaitu virgin  pulp, namun  jauh  lebih  kecil dibandingkan lumpur C yang berasal dari industri kertas yang menghasilkan core board dengan bahan baku kertas berkas yang mengandung lignin lebih banyak.
Kadar abu pada penelitian ini berkisar antara 18,25%  sampai 36,23%.  Abu pada lumpur primer berasal dari komponen mineral yaitu kaolin,
CaCO 3 (digunakan  sebagai  bahan  pengisi  atau coating ) dan TiO 2 sebagai bahan pemutih (Lynd et al., 2001). Abu merupakan senyawa anorganik, tidak larut dalam air dan bersifat inert. Abu yang larut dalam asam berasal dari CaCO 3 sedangkan yang tidak larut berasal dari kaolin. Kadar abu tinggi pada hidrolisis dengan kadar padatan yang tinggi menyebabkan meningkatnya viskositas dan akan mengurangi kapasitas bioreaktor karena mengurangi bagian dari selulosa yang terkonversi (Kang et al., 2011 dan Wang et al ., 2010). Kadar ekstraktif pada lumpur primer yang digunakan dalam penelitian ini berkisar 1,1-6,51% berasal dari struktur lignoselulosa dan terdiri dari asam resin, tanin dan terpene yang relatif kurang toksik dibandingkan dengan produk degradasi lignin (Harmsen et al., 2010) Data kandungan logam berat pada ketiga sampel lumpur primer ditunjukkan pada Tabel 3. Berdasarkan data pada Tabel 3, dapat diketahui bahwa logam berat yang paling banyak terkandung pada lumpur primer adalah besi (Fe) berkisar  506,59  –  3062,58  mg/kg,  kemudian logam  terbanyak  selanjutnya  adalah  seng  (Zn), tembaga  (Cu),  dan  kromium  (Cr).  Menurut Tejirian dan Xu (2010), pada konsentrasi 10 mM ion-ion logam bivalen Co 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ , dan Zn 2+ sedikit menghambat proses hidrolisis enzimatis selulosa oleh selulase, sedangkan Fe 2+ (baik sebagai FeSO 4 maupun FeCl 2 ) serta Cu 2+ secara signifikan  dapat  menurunkan  laju  hidrolisis enzimatis selulosa hingga 70% setelah 4 hari. Berdasarkan perhitungan dengan menggunakan data pada Tabel 3, konsentrasi kandungan logam berat Co 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ dan Fe 2+ pada semua jenis lumpur pada kadar tertinggi dalam percobaan sakarifikasi  (18%)  masih  di  bawah  10  mM sehingga keberadaan logam berat tersebut dalam lumpur A, B, dan C tidak berpotensi menghambat aktivitas selulase. Berdasarkan hasil karakterisasi ketiga lumpur primer dari tiga jenis industri kertas berbeda tersebut, lumpur primer yang akan
Tabel 3. Kandungan Logam Berat pada Lumpur IPAL Industri Kertas
Lumpur Kandungan Logam Berat (mg/kg) Fe Ni Ag Co Pb Cd Zn Cu Cr A 506,59 <5,02 1,88 <4,01 <1,78 <0,75 71,86 56,73 3,22 B 1052,15 <4,57 2,55 <3,66 <0,98 <0,69 55,73 29,12 10,03 C 3062,58 <2,51 1,74 <2,01 <0,59 <0,38 234,93 111,67 7,18
Jurnal Selulosa, Vol. 7, No. 2, Desember 2017 : 69 - 78
digunakan untuk penelitian selanjutnya adalah lumpur primer industri kertas tisu berbahan baku pulp  virgin dengan pertimbangan kandungan selulosa yang paling tinggi dengan kandungan abu dan lignin yang relatif lebih rendah sehingga cukup berpotensi untuk menghasilkan glukosa.

## Percobaan Pendahuluan Penentuan Dosis
Optimum  Selulase  dan  Β-Glukosidase  pada Sakarifikasi
Hasil penentuan dosis optimum selulase terlihat pada Gambar 1 yang terlihat bahwa konsentrasi  gula  pereduksi  naik  secara  cepat sampai dosis enzim 9 FPU/g selulosa, setelah itu  cenderung  konstan.  Hal  tersebut  sejalan dengan  penelitian  (Peng  dan  Chen,  2011)  yang menyatakan bahwa waktu hidrolisis dan dosis selulosa sangat berpengaruh terhadap hidrolisis enzimatis  dan  derajat  sakarifikasi  naik  cepat seiring dengan naiknya waktu dan dosis enzim sampai  kondisi  optimum.  Sakarifikasi  lumpur primer  secara batch mencapai  hasil  optimum pada dosis selulase 9 FPU/g selulosa dengan hasil  gula  pereduksi  8,95  g/L  dan  efisiensi sakarifikasi  sebesar  28,6%.  Hasil  tersebut  lebih rendah dibandingkan hasil penelitian sebelumnya yang  dilakukan  oleh  Saepulloh et  al. (2012) dengan hidrolisis dilakukan pada kadar padatan 4% selama 72 jam dan dosis selulosa 10 FPU/g selulosa  yang  menghasilkan  derajat  sakarifikasi sekitar  38%  dan  gula  pereduksi  12,5  g/L.  Hal tersebut terjadi karena kadar padatan yang digunakan pada penelitian ini lebih tinggi sehingga derajat  sakarifikasinya  lebih  rendah.  Hasil tersebut sesuai dengan pendapat (Peng dan Chen, 2011)  yang  menyatakan  bahwa  pengaruh  dosis enzim  pada  derajat  sakarifikasi  tergantung  juga
pada  kadar  padatannya.  Sedangkan  konsentrasi gula pereduksi yang lebih rendah disebabkan karena kadar selulosa dalam penelitian ini juga lebih rendah dibandingkan dengan penelitian sebelumnya.
Penentuan dosis β-glukosidase dilakukan pada dosis selulase optimum yaitu 9 FPU/g selulosa dan hasilnya dapat dilihat pada Gambar 2 A dan 2 B. Dari Gambar 2 A dan 2 B terlihat bahwa hidrolisis optimum terjadi pada hari ke 3 dengan dosis β-glukosidase  80  IU/g  selulosa,  menghasilkan konsentrasi gula pereduksi 20,01 g/L dan efisiensi sakarifikasi 63,84%. Penambahan β-glukosidase mampu menghidrolisis lebih lanjut selobiosa yang terbentuk dari hidrolisis menggunakan selulase sehingga akan meningkatkan kadar gula  pereduksi.  Penambahan  β-glukosidase mampu mencegah inhibisi produk oleh selobiose sehingga meningkatkan derajat hidrolisis. Konsentrasi substrat berbanding terbalik dengan derajat hidrolisisnya bahkan pada dosis enzim per  substrat  yang  sama.  β-glukosidase  tidak hanya meningkatkan hidrolisis namun juga laju awal hidrolisis (Elliston et al., 2014). Konsentrasi gula pereduksi yang dihasilkan dari penelitian ini lebih rendah dari dibandingkan dengan penelitian (Soetopo et  al., 2012)  yang  menggunakan lumpur primer dari industri kertas dengan bahan baku virgin pulp pada kadar padatan yang sama pada dosis selulase 9 FPU/g selulosa dan dosis β-glukosidase 67 IU/g selulosa dan menghasilkan gula  pereduksi  31,3  g/L  dan  efisiensi  hidrolisis 64%. Hal tersebut dikarenakan selulosa yang terkandung dalam lumpur sebesar 47,06% jauh lebih rendah dari pada kandungan selulosa dalam lumpur yang digunakan pada penelitian sebelumnya (Soetopo et al., 2012) yaitu sekitar 73% sehingga selulosa yang terkonversi menjadi glukosa  juga  lebih  kecil.  Walaupun  demikian efisiensi hidrolisis pada kedua penelitian tersebut hampir sama. Nilai pH selama sakarifikasi masih berada pada pH optimum sakarifikasi, yaitu 4-5.

## Sakarifikasi secara Fed Batch
Sakarifikasi  secara fed batch dilakukan pada dosis enzim optimum yaitu dosis selulase 9  FPU/g  selulosa  dan  β-glukosidase  80  IU/g selulosa. Proses fed batch mempunyai kelebihan yaitu viskositas medium dapat dijaga tetap rendah karena  umpan  masuk  reaktor  dilakukan  secara bertahap yaitu pada saat viskositas medium
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ef is ie ns i s ak ar ifi ka si , %
Ko ns en tr as i g ul a p er ed uk si (mg /L ) Dosis selulase, FPU/ gram selulosa gula pereduksi (mg/L) Efisiensi sakarifikasi, %
Gambar 1. Penentuan Dosis Optimum Selulase
Fed Batch Saccharification of Primary Paper Mill Sludge to Produce ... : Mukharomah Nur Aini,  dkk.
menurun  karena  degradasi  enzimatik  (Olofsson et al. , 2010). Kadar gula pereduksi dan efisiensi sakarifikasi dapat dilihat pada Gambar 3, 4 dan 5.
Dari Gambar 3 dan 4 terlihat bahwa nilai gula  pereduksi  maupun  efisiensi  sakarifikasi pada  percobaan  sakarifikasi  secara fed batch lebih  tinggi  dibandingkan  pada  sakarifikasi secara batch . Hal tersebut disebabkan pada sakarifikasi  secara fed batch , penambahan lumpur terjadi pada saat sebagian selulosa telah terdegradasi sehingga konsistensi medium terjaga  rendah.  Pada  proses  sakarifikasi  secara batch , semua lumpur dimasukkan pada awal proses sehingga konsistensi medium langsung meningkat berakibat transfer massa antara enzim dengan substrat tidak berjalan baik, yang akan menurunkan kemampuan enzim serta mengganggu pembebasan glukosa yang terbentuk dan  menurunkan  efisiensi  hidrolisis.  Proses sakarifikasi fed batch dengan pengumpanan enzim secara bertahap menghasilkan konsentrasi gula pereduksi maupun efisiensi hidrolisis lebih tinggi bila dibandingkan dengan pengumpanan enzim  di  awal  atau  secara batch. Hal ini terjadi karena pada pengumpanan enzim yang ditambahkan semua di awal, ada kemungkinan enzim banyak yang terserap oleh lignin maupun inhibitor lain sehingga pada saat ditambahkan umpan lumpur berikutnya, maka aktivitas enzim telah berkurang.
Pada Gambar 3 terlihat bahwa pada sakarifikasi secara fed batch dengan pengumpanan enzim bertahap, nilai gula pereduksi naik dari kadar padatan 10% sampai 14% kemudian turun pada kadar padatan 18%. Hal ini terjadi karena semakin
A

## B
Gambar 2. Penentuan Dosis Optimum Glukosidase
tinggi kadar padatan maka kadar selulosa akan semakin tinggi pula sehingga akan semakin banyak selulosa yang terhidrolisis menjadi glukosa.  Namun  pada  kadar  padatan  18%,  gula pereduksi turun. Hal tersebut disebabkan karena senyawa  selain  selulosa  dalam  lumpur  cukup tinggi yaitu sekitar 53%, senyawa ini tidak akan terhidrolisi selama proses sakarifikasi, dan terakumulasi selama proses fed batch , sehingga mengganggu transfer massa antara substrat dan enzim banyak teradsorpsi pada senyawa non selulosa sehingga menurunkan aktivitas enzim. Adanya  akumulasi  inhibitor  kemungkinan juga  mengganggu  proses  sakarifikasi.  Inhibitor tersebut kemungkinan berasal dari lignin dan senyawa anorganik. Menurut Lark et al. (1997), lignin merupakan penghalang fisik selulosa dan enzim selulase serta akan menyerap dan dapat membuat enzim selulase tidak aktif. Zat anorganik juga  mengurangi  efisiensi  enzim  karena  akan menempel pada enzim (Wang et al. , 2010). Pada Gambar 4 dan 5 terlihat bahwa pada semua proses baik batch maupun fed batch , efisiensi  sakarifikasi  menurun  dengan  naiknya kadar  padatan  total  dari  6%  sampai  18%.  Hal tersebut disebabkan oleh makin tinggi kadar padatan maka pengadukan akan semakin sulit karena naiknya konsistensi lumpur. Kadar padatan yang tinggi berpengaruh pada transfer massa antara enzim dengan substrat, menurunkan kemampuan enzim dan mengganggu pembebasan monomer gula yang terbentuk yang menyebabkan kecepatan hidrolisis menurun (Kang et al., 2011). Pada  proses  sakarifikasi,  selulosa  terdegradasi oleh selulase dan β glukosidase menjadi selobiosa
Beta glukosidase, IU/g
mg/L
Gambar 3. Kadar Gula Pereduksi terhadap
Waktu Hidrolisis pada Sakarifikasi
Gambar 4. Efisiensi Sakarifikasi terhadap Waktu Hidrolisis pada Sakarifikasi
Fed Batch Saccharification of Primary Paper Mill Sludge to Produce ... : Mukharomah Nur Aini,  dkk.
dan glukosa, serta melepaskan air bebas yang akan mengurangi viskositas suspensi substrat. Penurunan yield pada kadar padatan yang tinggi dalam sakarifikasi disebut solid effect . Penurunan konversi pada peningkatan kadar padatan menunjukkan korelasi linier pada kadar padatan awal  5  sampai  30%  (Kristensen et  al. ,  2009). Penyerapan air oleh selulosa sampai dengan 15% menyebabkan media dan substrat menjadi kental sehingga  memerlukan  gaya  yang  cukup  tinggi untuk  terjadi  pengadukan  dan  pencampuran, dan substrat ligno selulosa dengan konsentrasi tinggi menyebabkan solid effect (Elliston et al., 2013), sehingga produk glukosa yang dihasilkan berkurang pada saat konsentrasi substrat naik. Selain  itu  penurunan  efisiensi  sakarifikasi disebabkan oleh terakumulasinya senyawa- senyawa selain selulosa yang tidak terdegradasi dan adanya zat inhibitor yang terakumulasi. Peningkatan konsentrasi substrat menyebabkan lebih banyak selulosa tersedia untuk hidrolisis, sehingga konsentrasi gula dalam hidrolisis lebih  banyak,  namun  derajat  sakarifikasi  tidak meningkat yang disebabkan oleh deaktivasi enzim maupun inhibitor dari produk maupun reaktivitas (Peng  dan  Chen,  2011).  Selain  konsentrasi inhibitor, rasio inhibitor terhadap enzim juga berpengaruh terhadap solid  efect . Peningkatan konsentrasi glukosa dan selobiosa pada kadar padatan yang tinggi meningkatkan inhibitor walaupun rasio enzim terhadap inhibitor konstan. Pada peningkatan padatan, proporsi selulase yang teradsorbsi akan menurun dan terdapat korelasi antara adsorpsi inhibisi dengan menurunnya yield pada peningkatan kadar substrat (Kristensen et al. ,
2009). Inhibisi dari adsorpsi enzim oleh produk hidrolisis merupakan penyebab utama penurunan yield pada peningkatan konsentrasi substrat pada dekomposisi enzimatis pada biomassa selulosa (Kristensen et al. , 2009). Konsentrasi  gula  pereduksi  mencapai maksimum  pada  proses  sakarifikasi  dengan pengumpanan lumpur dan enzim secara fed batch pada kadar kumulatif lumpur 14% yaitu mencapai 43,899 g/L dengan efisiensi sakarifikasi 60,03%. Untuk meningkatkan efisiensi hidrolisis, lumpur yang akan dihidrolisis sebaiknya dilakukan perlakuan awal untuk menurunkan kadar abu. Perlakuan untuk menurunkan kadar abu dapat dilakukan  melalui  proses  flotasi  dan  screening menggunakan CO 2 (Kang et al., 2011)

## KESIMPULAN
Lumpur  primer  industri  kertas  yang  berasal dari industri kertas tisu berbahan baku virgin pulp memiliki kandungan selulosa tertinggi (47,06%) dan kadar abu paling rendah (18,25%), berpotensi menghasilkan glukosa melalui proses sakarifikasi. Perlakuan terbaik yaitu sakarifikasi fed batch dengan  pengumpanan  enzim  secara bertahap pada kadar padatan 14%, menghasilkan gula pereduksi 43,899 g/L dan efisiensi 60,03%.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  sebesar besarnya kepada BBPK yang telah membiayai penelitian ini melalui Anggaran DIPA, serta Ibu Setiananingsih, Ibu Sri Hartini, Juliana Sibarani, Tiffany  Cornelia  A.,  Rismawati  dan  Windy Yasinta yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Alda,  A.G.O.  De  (2008)  ‘Resources,  Conservation and  Recycling  Feasibility  of  recycling  pulp and paper mill sludge in the paper and board industries’, Resources,  Conservation,  and Recycling ,  52(L),  pp.  965–972.  doi:  10.1016/j. resconrec.2008.02.005. Alkasrawi,  M.,  Al-Hamamre,  Z.,  Al-Shannag,  M., Abedin,  M.J.,  Singsaas,  E. (2016)  ‘Conversion of paper mill residuals to fermentable sugars’, BioResources , 11, pp. 2287–2296.
Anindyawati,  T.  (2009)  ‘Prospek  enzim  dan  limbah lignoselulosa untuk produksi bioetanol’, Berita Selulosa , 44(Juni 1999), pp. 49–56.
Batch                Sludge Fed Batch,     Sludge Fed Batch, Enzim Batch               Enzim Batch
Gambar 5. Konsentrasi Gula Pereduksi dan

## Efisiensi Sakarifikasi pada Sakarifikasi
Elliston, A.,  Collins,  S.R.A.,  Wilson,  D.R.,  Roberts, I.N., Waldron, K.W. (2013) ‘High concentrations of cellulosic ethanol achieved by fed batch semi simultaneous  saccharification  and  fermentation of waste-paper’, Bioresource  Technology . Elsevier  Ltd,  134,  pp.  117–126.  doi:  10.1016/j. biortech.2013.01.084.
Elliston, A.,  Collins,  S.R.A.,  Faulds,  C.B.,  Roberts, I.N., Waldron, K.W. (2014) ‘Biorefining of waste paper  biomass:  Increasing  the  concentration  of glucose  by  optimising  enzymatic  hydrolysis’, Applied Biochemistry and Biotechnology , 172(7), pp. 3621–3634.
Fan,  Z.,  Lynd,  Æ.L.R.  (2007)  ‘Conversion  of  paper sludge to ethanol. I : Impact of feeding frequency and mixing energy characterization’, pp. 27–34. doi: 10. 1007/s00449-006-0091-y.
Gao, Y., Xu, J., Yuan, Z., Zhang, Y., Liang, C., Liu, Y. (2014) ‘Ethanol Production from High Solids Loading of Alkali - Pretreated Sugarcane Bagasse with  an  SSF  Process’, BioResources ,  9(2),  pp. 3466–3479. Harmsen, P.F.H., Huijgen, W., Bermudez, L., Bakker,
R. (2010)  ‘Literature  Review  of  Physical and  Chemical  Pretreatment  Processes  for Lignocellulosic  Biomass’, Food  and  Biobased Research . doi: 10.1016/j. psep.2011.08.004.
Howard, R.L., Abotsi E., Jansen van Rensburg, E.L., Howard, S. (2003) ‘Lignocellulose biotechnology: issues of bioconversion and enzyme production’, African  Journal  of  Biotechnology ,  2(12),  pp. 602–619. doi: 10.5897/AJB2003.000-1115.
Kang, L., Wang, W., Pallapolu, V.R., Lee, Y.Y. (2011) ‘Enhanced  ethanol  production  from  de-ashed paper sludge by simultaneous saccharification and fermentation  and  simultaneous  saccharification and Co-Fermentation’, BioResources ,  6(4),  pp. 3791–3808. Kristensen, J.B., Felby, C., Jørgensen,  H.  (2009) ‘Yield-determining  factors  in  high-solids enzymatic  hydrolysis  of  lignocellulose.  ’, Biotechnology for biofuels , 2(1), p. 11. doi: 10. 1186/1754-6834-2-11. Lark, N., Xia, Y., Qin, C.G., Gong, C.S., Tsao, G.T. (1997) ‘Production of ethanol from recycled paper sludge using cellulase and yeast, kluveromyces markianus’, Biomass and Bioenergy , 12 (No. 2), pp. 135–143. Lynd,  L.R.,  Lyford,  K.,  South,  C.R.,  van  Walsum, P.G., Levenson, K. (2001) ‘Evaluation of paper sludge for amenability to enzymatic hydrolysis and conversion to ethanol’, Tappi Journal Peer Reviewed Paper , 84 (February), pp. 50–55.
Marques,  S.,  Alves,  L.,  Roseiro,  J.C.,  Girio,  F.M.
(2008) ‘Conversion of recycled paper sludge to ethanol by SHF and SSF using Pichia stipitis’, Biomass and Bioenergy , 32(5), pp. 400–406. doi: 10.1016/j.biombioe.2007.10.011.
Mussatto,  S.I.,  Fernandes,  M.,  Milagres,  A.M.F., Roberto, I.C. (2008) ‘Effect of hemicellulose and lignin on enzymatic hydrolysis of cellulose from brewer’s spent grain’, Enzyme  and  Microbial Technology , 43(2), pp. 124–129. doi: 10.1016/j. enzmictec.2007.11.006.
Olofsson,  K.,  Palmqvist,  B.,  Lidén,  G.  (2010)
‘Improving  simultaneous  saccharification  and co-fermentation  of  pretreated  wheat  straw using both enzyme and substrate feeding’,
Biotechnology for biofuels , 3, p. 17.
Peng,  L.,  Chen,  Y.  (2011)  ‘Conversion  of  paper sludge to ethanol by separate hydrolysis and fermentation  (SHF)  using  Saccharomyces cerevisiae’, Biomass  and  Bioenergy ,  35(4),  pp. 1600–1606. Prasetyo,  J.,  Naruse,  K.,  Kato,  T.,  Boonchird, C.,  Harashima,  S.,  Park,  E.Y.  (2011) ‘Bioconversion  of  paper  sludge  to  biofuel  by simultaneous  saccharification  and  fermentation using  a  cellulase  of  paper  sludge  origin  and thermotolerant Saccharomyces cerevisiaeTJ14’, Biotechnology for Biofuels , 4(1), pp. 1–13. doi: 10.1186/1754-6834-4-35. Saepulloh,  Soetopo,  R.S.,  Asthary,  P.B.  (2012) ‘Lumpur  primer  IPAL  industri  kertas  sebagai bahan baku alternatif bioetanol’, Jurnal Selulosa . Shen, J., Agblevor, F.A. (2011) ‘Ethanol production of  semi-simultaneous  saccharification  and fermentation  from  mixture  of  cotton  gin  waste and  recycled  paper  sludge’, Bioprocess  and Biosystems Engineering , 34(1), pp. 33–43. doi: 10.1007/s00449-010-0444-4. Soetopo,  R.S.,  Purwati,  S.,  Setiawan,  Y.,  Sugesty,
S. (2012)  ‘Pemanfaatan  Sludge  Instalasi Pengolahan  Air  Limbah  Industri  Pulp  Dan Kertas Sebagai Bahan Baku Bioetanol’, Jurnal Selulosa , 2(2), pp. 61–70. Tejirian, A.,  Xu,  F.  (2010)  ‘Inhibition  of  cellulase- catalyzed lignocellulosic hydrolysis by iron and oxidative  metal  ions  and  complexes’, Applied and  Environmental  Microbiology ,  76(23),  pp. 7673–7682. doi: 10.1128/AEM.01376-10. Wang,  W.,  Kang,  L.,  Lee,  Y.Y.  (2010)  ‘Production of  cellulase  from  kraft  paper  mill  sludge by  trichoderma  reesei  rut  C-30’, Applied Biochemistry and Biotechnology , 161(1–8), pp. 382–394. doi: 10.1007/s12010-009-8863-x. Ximenes, E., Kim, Y., Mosier, N., Dien, B., Ladisch, M.  (2011)  ‘Deactivation  of  cellulases  by phenols’, Enzyme  and  microbial  technology . Elsevier Inc., 48(1), pp. 54–60. doi: 10.1016/j. enzmictec.2010.09.006.