Pemanfaatan Sludge  Instalasi Pengolahan Air Limbah Industri Pulp dan... : Rina S. Soetopo, dkk.

## PEMANFAATAN SLUDGE INSTALASI PENGOLAHAN AIR LIMBAH INDUSTRI PULP DAN KERTAS SEBAGAI BAHAN BAKU BIOETANOL
Rina S. Soetopo *, Sri Purwati, Yusup Setiawan, Susi Sugesty Balai Besar Pulp dan Kertas, Jl. Raya Dayeuhkolot No. 132 Bandung * rnsusilowati@yahoo.com
Diterima : 27 September 2012, Revisi akhir : 24  Desember 2012

## UTILIZATION OF SLUDGE FROM WASTEWATER TREATMENT PLANT OF PULP AND PAPER INDUSTRY AS BIOETHANOL RAW MATERIAL

## ABSTRACT
Investigation on utilization of sludge waste  from Wastewater Treatment Plant (WWTP) of pulp and paper mill for bioethanol feedstock in a batch system at laboratory scale has been carried out. Experiments were conducted in three phases, namely the hydrolysis process; the fermentation process by Saccharomyces cerevisiae and the simultaneous saccharification-fermentation experiments. Ethanol concentration produced was tested by the HPLC method. Results show that t primary sludge from paper mills made   from virgin pulp (sludge A) and primary sludge from pulp and paper made   from raw wood (sludge B) at a 2% total solids having potential as raw material for bioethanol. The optimum conditions of the hydrolysis process of sludge A and sludge B is obtained from the sludge solids content of 6%, with the addition of cellulase of 9 FPU/g cellulose and beta-glucosidase of 6.7 IU/FPU for the incubation time of 48 hours producing the reducing sugar content of 31.3% and 36.2% with the hydrolysis efficiency of 64% and 71% respectively. On the SSF process conditions at pH of 4.5, temperature of 28 o C for 96 hours, the sludge substrate A can produce ethanol with the concentration of 3.45% and the process efficiency of 72.5% and the sludge substrate B can produce ethanol with the concentration of 2.89% and the process efficiency of 60.8%.
Keywords:  bioethanol, cellulase, hydrolysis, fermentation, Saccharomyces cerevisiae, sludge

## ABSTRAK
Penelitian pemanfaatan sludge Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) industri pulp dan kertas untuk bahan baku bioetanol dengan sistem batch pada skala laboratorium telah dilakukan. Percobaan dilakukan  dalam tiga tahapan yaitu   proses hidrolisis dengan enzim;  proses fermentasi dengan Saccharomyces cerevisiae dan proses sakarifikasi-fermentasi serentak (SFS) pada satu reaktor. Kadar etanol yang dihasilkan diuji dengan metode HPLC. Hasil percobaan menunjukkan bahwa dari 4 jenis sludge yang diteliti, sludge primer dari pabrik kertas berbahan baku virgin pulp ( sludge A) dan dari pabrik pulp dan kertas berbahan baku kayu ( sludge B) berpotensi sebagai bahan baku bioetanol. Kondisi optimum percobaan proses hidrolisis sludge A dan sludge B diperoleh dari perlakuan dengan kadar padatan 6%, dosis selulase 9 FPU/g selulosa; dosis beta glukosidase 6,7 IU/FPU dengan  lama inkubasi 48 jam, masing-masing menghasilkan  kadar gula pereduksi sebesar 31,3% dan 36,2%  dengan  efisiensi hidrolisis  64%  dan 71%.  Pada percobaan SFS dengan kondisi proses pH 4,5 pada suhu 28 o C selama 96 jam, substrat sludge A dapat menghasilkan etanol sebesar 3,45% dengan efisiensi proses 72,5% dan substrat sludge B dapat menghasilkan etanol  sebesar 2,89% dengan efisiensi proses 60,8%.
Kata kunci: bioetanol, selulase, hidrolisis, fermentasi, Saccharomyces  cerevisiae , sludge

## PENDAHULUAN
Industri pulp dan kertas dikelompokan menjadi industri pulp dan kertas terpadu dan non terpadu sebagai industri pulp atau industri kertas saja. Industri pulp dan kertas terpadu menggunakan bahan baku kayu, sedangkan  industri kertas menggunakan bahan baku virgin pulp atau bahan baku kertas bekas. Dari proses produksinya dihasilkan limbah lumpur ( sludge ) yang cukup besar, terutama dari Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL). Jumlah produksi sludge IPAL tersebut sangat besar berkisar antara 2-10% (kadar air 70%) dari kapasitas produksinya (Purwati dkk., 2006). Sludge IPAL dari industri pulp dan kertas, umumnya terdiri dari sludge primer yang berasal dari IPAL sistem fisika-kimia berupa serat halus dan sludge sekunder yang berasal dari IPAL sistem biologi berupa biomassa mikroba. Berdasarkan komponennya, sludge primer banyak mengandung bahan organik terutama selulosa. Achira dkk. (2009) menjelaskan bahwa komposisi sludge primer IPAL dari industri pulp dan kertas terdiri dari selulosa 21,1%, hemiselulosa 4,1%, lignin 13% dan abu 46,5%. Sedangkan menurut Harmsen dkk. (2010), dan Petrova dan Ivanova (2010), komposisi sludge IPAL dari industri pulp dan kertas mengandung selulosa sekitar 8-15%. Zhiliang dan Lynd (2007) juga menjelaskan bahwa sebagian besar sludge IPAL industri pulp dan kertas mengandung glukan 54-55%, xilan 9,0% dan manan 2%.
Pemanfaatan biomassa selulosa sebagai sumber alternatif bahan baku bioetanol generasi kedua sudah mulai banyak dilakukan. Biomassa selulosa dari sludge IPAL industri pulp dan kertas dapat dimanfaatkan untuk memproduksi bioetanol  dengan  proses  sakarifikasi-fermentasi (Hu  dkk.,  2008),  dan  dengan  proses  hidolisis- fermentasi (Knutson dkk., 2007). Selulosa bagas dapat dimanfaatkan untuk produksi etanol melalui proses    Sakarifikasi  Fermentasi  Serentak  (SFS) dengan  enzim  xilanase  dan  ragi Saccharomyces cerevisiae (Samsuri, 2007). Pada 11 industri pulp dan kertas di Amerika dengan kapasitas produksi 325-2740 ton/hari yang menghasilkan sludge IPAL sekitar 9-170 ton/hari dapat  menghasilkan etanol sebesar 0,1-3,2 juta galon per tahun atau 80% dari perhitungan secara teoritis (Kerstetter dkk., 1997). Pada umumnya, bioetanol diproduksi dengan cara fermentasi gula menggunakan bantuan aktivitas mikroorganisme. Bagi bahan baku organik kompleks seperti selulosa, hemiselulosa,
dan organik kompleks lainnya perlu dihidrolisis lebih dahulu secara kimia ataupun enzimatis. Teknologi proses hidrolisis secara kimia pada dasarnya kurang ramah lingkungan, sehingga proses hidrolisis banyak dikembangkan dengan menggunakan  enzim  xilanase  dan  selulase masing-masing  merupakan  enzim  hidrolisis hemiselulosa  dan  selulosa  menjadi  xilosa  dan glukosa yang merupakan bahan baku etanol (Samsuri dkk., 2007). Atas dasar komponen selulosa dalam sludge IPAL yang masih cukup tinggi, maka sludge IPAL industri pulp dan kertas memiliki potensi untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku bioetanol yang memiliki nilai ekonomi tinggi, juga merupakan salah satu alternatif dalam mengatasi masalah lingkungan. Hambatan pemanfaatan sludge IPAL industri pulp dan kertas sebagai bioetanol adalah kompleksnya komponen organik yang terkandung dalam sludge , sehingga perlu dilakukan proses hidrolisis secara efektif. Selain itu, ketersediaan sludge IPAL di industri umumnya terdiri dari gabungan sludge primer dan sekunder, sehingga perlu dikaji pula pengaruh sludge gabungan tersebut terhadap proses konversi sludge menjadi bioetanol.
Sehubungan dengan uraian di atas, penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui potensi limbah sludge industri pulp dan kertas sebagai bahan baku bioetanol dan artikel ini berisi hasil penelitian pemanfaatan sludge IPAL industri pulp dan kertas sebagai bahan baku bioetanol.

## BAHAN DAN METODE

## Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah empat jenis sludge IPAL yang diperoleh dari 4 industri pulp dan kertas yang berbeda bahan baku yang digunakan, yaitu (1) sludge A berupa s ludge primer dari industri kertas dengan bahan baku virgin pulp; (2) sludge B berupa s ludge primer dari industri pulp dan kertas terpadu dengan bahan baku kayu; (3) sludge C berupa s ludge primer dari industri kertas dengan bahan baku kertas bekas; (4) sludge D berupa sludge campuran primer dan sekunder dari industri pulp dan kertas terpadu dengan bahan baku kayu.
Sludge primer diambil dari outlet  clarifier primer dan sludge campuran primer dan sekunder diambil  dari keluaran mesin press sludge pada
Pemanfaatan Sludge  Instalasi Pengolahan Air Limbah Industri Pulp dan... : Rina S. Soetopo, dkk.
sistem Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) dari setiap industri. Penyimpanan sampel dilakukan dalam cold storage 4 o C. Enzim yang digunakan pada penelitian ini adalah selulase yang  memiliki  aktivitas  6  FPU/mL  dan  beta glukosidase yang memiliki aktivitas 10 unit/mL. Sebagai pengkondisi pH pada proses hidrolisis digunakan larutan penyangga fosfat, sedangkan ragi untuk fermentasi alkohol menggunakan S. cerevisiae .

## Peralatan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian dengan percobaan sistem batch ini adalah peralatan gelas untuk percobaan hidrolisis enzimatis dan fermentasi, inkubator goyang , autoclave , pH meter, magnetic stirrer , oven dan rangkaian alat distilasi, laminar  air  flow , cold storage, dan termometer. Peralatan yang digunakan untuk pengujian antara lain spektrofotometer dengan panjang gelombang 620 nm untuk uji gula pereduksi; AAS flame untuk uji beberapa logam berat dalam sludge yang terdiri dari timbal (Pb) 283,3 nm, kadmium (Cd) 228,8 nm, tembaga (Cu) 324,7 nm, nikel (Ni) 232,0 nm, seng  (Zn)  213,9  nm;  kromium  (Cr)  357,9  nm; dan kobalt (Co) 240,7 nm; HPLC untuk analisis bioetanol dengan kondisi sebagai berikut: fase gerak H 2 SO 4 0,008N;  kolom  aminex®  HPX- 87H,300mm x 7,8 mm; refractive index detector ; flow rate 1 mL/menit; volume injeksi 20µL; suhu kolom 35 o C; dan back pressure 1553 psi.

## METODOLOGI PENELITIAN
Karakterisasi Sludge IPAL
Terhadap s ludge dari masing-masing industri dilakukan karakterisasi yang meliputi  beberapa parameter yang berhubungan dengan potensi sebagai bahan baku bioetanol antara lain: kadar abu, lignin, holoselulosa, dan ekstraktif serta beberapa parameter logam berat yang meliputi timbal (Pb), kadmium (Cd), tembaga (Cu), nikel (Ni), seng (Zn), kromium (Cr), dan kobalt (Co), yang pengujiannya menggunakan metode SNI tahun 2009.

## Tahapan Percobaan
Secara garis besar, percobaan dilakukan dalam 3 tahap, yaitu (1) uji potensi sludge sebagai bahan baku etanol; (2) penentuan kondisi optimum proses hidrolisis sludge dan proses fermentasi gula  sakarifikasi;  (3)  proses  sakarifikasi- fermentasi serentak pada kondisi optimum.
Uji potensi dilakukan dengan cara melakukan hidrolisis enzimatis terhadap 4 jenis sludge pada kadar  padatan  2%  dalam  Erlenmeyer  250  mL. Enzim yang digunakan adalah selulase dengan dosis 11 FPU/g selulosa, pH diatur pada kisaran 5,5  dengan  penyangga  fosfat.  Uji  ini  dilakukan secara aseptik dalam inkubator goyang pada suhu 50 o C selama 96 jam. Masing-masing uji dilakukan 3 replikasi dengan parameter pengamatan adalah gula pereduksi yang dianalisis dengan metode Somogyi Nelson menggunakan spektrofotometer UV-VIS pada panjang gelombang 620 nm (Lucy dan Nora, 2011). Sludge yang memberikan konsentrasi gula pereduksi tertinggi dengan efisiensi proses lebih besar dari  70% dianggap memiliki potensi untuk digunakan sebagai bahan baku etanol. Penentuan kondisi optimum hidrolisis selulosa dalam sludge dilakukan hanya terhadap satu sludge yang  memiliki  efisiensi sakarifikasi  lebih besar dari 70% pada uji potensi di atas. Proses hidrolisis dilakukan dengan rancangan percobaan Rancangan Acak Lengkap (RAL) dengan 2 faktor perlakuan, yaitu : 1.  Kadar padatan sludge, per dasar kering: 2%, 4%, 6%, 8%, dan 10% (kisaran dewatering sludge )
2. Dosis selulase (FPU per g selulosa): 5, 7, 9, 18, dan 27
Beta glukosidase ditambahkan sebanyak 6,7 IU/FPU terhadap semua perlakuan. Kondisi percobaan ditentukan berdasarkan kondisi optimum  aktivitas  selulase  yaitu  suhu  50 o C; pH  5,5;  dan  kecepatan  pengadukan  110  rpm. Parameter pengamatan adalah konsentrasi gula pereduksi.  Efisiensi  hidrolisis  dihitung  dengan menggunakan persamaan 1 (Vertès dkk., 2010).
Percobaan penentuan kondisi optimum proses fermentasi hanya dilakukan terhadap cairan hasil proses hidrolisis s ludge yang memiliki kadar gula Glukosa yang Dihasilkan (g) 1,11 x Selulosa (g) x 100% .................................... (1) Efisiensi Hidrolisis (%) =

## pereduksi tertinggi dengan menggunakan labu
Erlenmeyer  250  mL.  Cairan  tersebut  ditambah 12,5% (v/v) medium nutrisi yang komposisinya terdiri  dari  0,5  g/L  (NH 4 )HPO 4 ;  0,025g/L MgSO 4 .7H 2 O;  dan  1  g/L  ekstrak  ragi.  Semua medium disterilisasi pada suhu 121 o C selama 30 menit pada autoclave .  Fermentasi  dilakukan dengan menambahkan ragi S. cerevisiae yang telah diaklimatisasi terhadap gula hasil hidrolisis selulosa dalam sludge pada suhu 28 o C. Percobaan dilakukan dengan 2 faktor perlakuan, yaitu pH (4,5; 5,0; 5,5; 6,0) dan lama inkubasi (24; 48; 72; 96; 120 jam) dengan penambahan inokulum ragi S. cerevisiae sebanyak 10% (v/v) dengan jumlah sel 10 6 /mL.  Parameter  pengamatan  dilakukan terhadap kadar etanol yang dianalisis dengan HPLC. Setelah diperoleh kondisi optimum proses hidrolisis dan proses fermentasi, kemudian dilakukan fermentasi serentak pada satu reaktor.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Sludge IPAL
Sludge industri pulp dan kertas yang digunakan untuk penelitian ini diutamakan dari sludge primer yang sebagian besar kandungan dari sludge tersebut merupakan senyawa organik selulosa. Kadar senyawa organik dalam sludge sangat bervariasi. Hal ini dapat dilihat dari hasil analisis kadar  abu  yang  berkisar  antara  3,10-39,63%. Sludge yang digunakan tersebut adalah limbah serat yang dihasilkan dari pemisahan serat selulosa yang lolos dari pencucian pulp, mesin kertas, reject proses penyedian stok, unit pemulihan serat, dan hasil akhir pengolahan IPAL. Komponen sludge tersebut selain bahan serat, juga berupa bahan pengisi dan pengotor lainnya. Sludge tersebut baik jumlah maupun karakteristiknya sangat bervariasi tergantung dari bahan baku, proses pembuatan, dan produk yang dihasilkan.
Hasil analisis menunjukkan bahwa komponen sludge yang berasal dari IPAL industri pulp dan kertas  terpadu terdiri dari lignin dengan kadar berkisar  antara  3,24-4,27%  dan  holoselulosa sekitar  48,99-93,26%.  Kandungan  holoselulosa merupakan polisakarida yang terdiri dari selulosa dan hemiselulosa. Kandungan hemiselulosa yang  berupa  pentosan  sekitar  4,25-16,32%. Pada umumnya industri pulp di Indonesia menggunakan bahan baku kayudaun. Pulp dari kayudaun mengandung hemiselulosa yang kandungan pentosannya lebih banyak daripada heksosannya sehingga penentuan hemiselulosa berupa  pentosan.  Komponen-komponen sludge tersebut merupakan senyawa lignoselulosa yang berasal dari kayu sebagai bahan baku industri pulp dan kertas.
Berdasarkan data karakteristik sludge pada Tabel 1, menunjukkan bahwa sludge IPAL ini masih memiliki selulosa yang cukup tinggi terlihat dari kandungan holoselulosanya. Kandungan selulosa yang tinggi merupakan sumber utama pembentuk glukosa sebagai bahan yang akan dikonversi menjadi etanol melalui proses hidrolisis-fermentasi.  Sedangkan    rendahnya kandungan lignin dalam sludge merupakan faktor penunjang dalam pembentukan glukosa. Lignin merupakan komponen sludge yang berpotensi sebagai inhibitor pada proses hidrolisis selulosa secara enzimatis.  Keberadaan lignin dalam sludge dapat menghambat dalam proses degradasi selulosa dan hemiselulosa menjadi glukosa. Oleh karena itu, bahan baku untuk pembuatan bioetanol sebaiknya tidak mengandung lignin (Anindyawati, 2009).
Potensi Sludge Sebagai  Bahan  Baku Etanol Hasil  perhitungan  efisiensi  hidrolisis  pada uji potensi sludge dapat dilihat pada Gambar 1. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa sludge
Tabel 1. Komposisi Sludge IPAL Industri Pulp dan Kertas Sludge Hasil Analisis Abu, % Lignin, % Holoselulosa, % Pentosan sbg Hemiselulosa, % Ekstraktif Alkohol /Benzen, % A 21,96 - 77,70 4,25 3,07 B 3,10 3,24 93,26 16,32 2,08 C 39,63 - 61,01 5,72 4,81 D 31,65 4,27 48,99 4,45 7,18
Pemanfaatan Sludge  Instalasi Pengolahan Air Limbah Industri Pulp dan... : Rina S. Soetopo, dkk.
A dan sludge B memiliki efisiensi hidolisis lebih besar dari 70%. Sludge A adalah sludge primer yang berasal dari pabrik kertas berbahan baku virgin pulp, sedangkan sludge B adalah sludge primer yang berasal dari pabrik pulp dan kertas berbahan baku kayu. Sejalan dengan karakteristik masing-masing sludge , menunjukkan bahwa sludge A dan sludge B memiliki potensi lebih baik dibandingkan sludge C dan sludge D. Kadar glukosa dari hasil hidrolisa pada sludge A dan B berkisar antara 10-20%, sedangkan sludge C dan D hanya sekitar 2-5% saja. Hal ini dikarenakan kadar selulosa yang terkandung dalam sludge A dan sludge B yang jauh lebih tinggi. Demikian pula dengan perhitungan efisiensi hidrolisis pada sludge A dan sludge B mencapai lebih besar dari 70%, yang jauh lebih tinggi dari sludge C dan sludge D yang lebih kecil dari 40%. Berdasarkan hasil uji potensi ini, maka untuk percobaan selanjutnya hanya menggunakan sludge A dan sludge B. Ditinjau dari kadar gula pereduksi yang dihasilkan  dari  masing-masing  perlakuan inkubasi, menunjukkan bahwa pada proses hidrolisis sludge A, lama inkubasi 48 jam, 72 jam, dan 96 jam cenderung tidak berbeda nyata yaitu  pada  kisaran  12,51-12,67  g/L,  demikian pula halnya  pada proses hidrolisis sludge B, perlakuan inkubasi sampai 96 jam menunjukkan kecenderungan yang tidak berbeda nyata, yaitu pada  kisaran  17,05-19,04  g/L.  Atas  dasar  hal tersebut, maka untuk percobaan proses hidrolisis sludge A dan sludge B selanjutnya dilakukan pada lama inkubasi 48 jam.

## Hidrolisis Selulosa secara Enzimatis Penentuan Kondisi Hidrolisis
Berdasarkan hasil uji potensi sludge , sludge A dan sludge B memiliki potensi sebagai bahan baku bioetanol. Selanjutnya, terhadap salah satu dari sludge tersebut dilakukan penentuan kondisi hidrolisis sludge yang diwakili oleh sludge A.
Perlakuan percobaan telah dilakukan dengan variasi kadar padatan sludge A, yaitu antara 2% sampai 10% dengan penambahan selulase dan beta glukosidase. Hasil percobaan dapat dilihat pada Gambar 2.
Berdasarkan uji statistik univarian dengan program SPSS, menunjukkan bahwa variasi kadar padatan (TS) sludge A berpengaruh nyata terhadap kadar gula pereduksi sebagai produk hasil proses hidrolisis. Semakin tinggi kadar padatan sludge A dari 2% sampai 6% menghasilkan kadar gula pereduksi yang makin tinggi  dengan  kisaran  rata-rata  9,3  g/L  sampai 25,1 g/L (Gambar 2). Kondisi ini sejalan dengan jumlah selulosa yang dihidrolisis dalam sludge A yang makin besar sehingga gula pereduksi yang terbentuk makin besar pula. Namun, kadar gula pereduksi dari hasil hidrolisis sludge dengan kadar padatan 8% hingga 10% menunjukkan penurunan. Hal tersebut disebabkan oleh karena proses hidolisis sludge dengan TS di atas 8%, tidak sesuai diperlakukan dengan metode shaker sebagai pengocokannya karena pencampuran antara sludge dengan enzim tidak dapat terjadi secara sempurna sehingga reaksi hidrolisis
(A) Kandungan Gula Pereduksi                              (B) Efisiensi Hidrolisis Selulosa Gambar 1. Hasil Uji Potensi Sludge IPAL Industri Pulp dan Kertas
menjadi kurang efektif. Hal tersebut sejalan dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Marquez dkk. (2008) yang menyatakan bahwa konsentrasi  TS  diatas  7,5%  (w/v),  tidak  efektif digunakan sebagai bahan baku untuk proses hidolisis enzimatis.
Berdasarkan  perhitungan  efisiensi  hidrolisis, menunjukkan kecenderungan yang berbeda dari yang ditunjukkan oleh kadar gula pereduksi (Gambar  2). Perbedaan kadar padatan sludge A memberikan pengaruh berbeda nyata terhadap efisiensi hidrolisis, namun pada kadar TS sludge terendah  (2%)  memberikan  efisiensi  hidrolisis tertinggi dan cenderung menurun terhadap kadar TS  lainnya  yang  lebih  tinggi  (4-8%).  Keadaan ini menunjukkan kontradiksi antara perhitungan efisiensi dengan data analisis kadar gula pereduksi. Menurut Peng dan Chen (2011), hal ini dapat disebabkan oleh adanya penghambat dalam lumpur, adanya inaktivasi enzim dan terjadinya penurunan reaktivitas terhadap penambahan selulosa. Berdasarkan uji Duncan dari dua parameter pengamatan, yaitu kadar gula pereduksi dan  efisiensi  hidrolisis,  maka  kondisi sludge yang optimum diperoleh pada kondisi TS 8%. Sedangkan berdasarkan pertimbangan kondisi di lapangan, umumnya proses dewatering sludge primer di industri pulp dan kertas, kadar TS sludge 6% dapat dicapai tanpa penambahan bahan kimia. Pada variasi dosis penambahan selulase pada proses hidrolisis menunjukkan kecenderungan bahwa  dosis  5-9  FPU/(g  selulosa)  memberikan nilai peningkatan kadar gula pereduksi tertinggi
(Gambar 2), namun perhitungan secara statistik peningkatan tersebut tidak berbeda nyata. Berdasarkan  hal  tersebut,  dosis  selulase  7-9 FPU/(g  selulosa)  ditentukan  sebagai  kondisi optimum proses hidrolisis yang diaplikasikan pada  percobaan  selanjutnya,  yaitu  sakarifikasi fermentasi serentak.

## Aplikasi Kondisi Optimum Hidrolisis
Kondisi optimum hidrolisis yang diperoleh diaplikasikan terhadap sludge yang berpotensi tinggi sebagai bahan baku bioetanol, yaitu sludge primer dari industri kertas berbahan baku pulp virgin ( sludge A) dan sludge primer dari industri pulp dan kertas terpadu berbahan baku kayu ( sludge B). Proses hidrolisis enzimatik terhadap kedua sludge tersebut dilakukan pada kondisi optimumnya, yaitu kadar padatan (TS) sludge 6%,  dosis  selulase  9  FPU/g  selulosa  dan  beta glukosidase 6,7 IU/FPU dengan waktu inkubasi 48 jam. Tabel 3 menunjukkan bahwa kedua sludge A dan B cukup potensial untuk digunakan sebagai bahan baku bioetanol yaitu mencapai efisiensi  lebih  dari  60%.  Dari  masing-masing sludge dapat dihasilkan kadar gula pereduksi 31,3 g/L dan efisiensi hidolisis 64% untuk sludge A, sedangkan sludge B menghasilkan kadar gula pereduksi  36,2  g/L  dan  efisiensi  71%.  Efisiensi hidrolisis yang dicapai dalam penelitian ini menunjukkan kecenderungan yang relatif sama dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Peng (2011) dan Marquez dkk. (2008).
Gambar 2. Hasil Percobaan Hidrolisis Enzimatis Sludge A
Pemanfaatan Sludge  Instalasi Pengolahan Air Limbah Industri Pulp dan... : Rina S. Soetopo, dkk.
Tabel  3. Aplikasi Kondisi Optimum Proses Hidrolisis pada TS 6% Jenis Sludge Gula Pereduksi Rata-rata (g/L) Efisiensi Hidrolisis (%) Sludge A 31,3 64% Sludge B 36,2 71% Hasil penelitian Peng (2011) dengan menggunakan bahan baku paper sludge dengan konsentrasi  40,8  g/L  (±4,1%)  dengan  waktu inkubasi  82,7  jam  dan  dosis  selulase  18  FPU/g selulosa dapat mencapai tingkat hidrolisis 82,1%. Selain itu, hasil penelitian Marquez dkk. (2008) menjelaskan bahwa recycle paper sludge dengan total padatan 3% (lama hidrolisis: 72 jam dan 144 jam) dan 7,5% (lama hidrolisis: 120 jam) dengan suhu 35 o C masing-masing dapat mencapai 100% dan 92%. Sebagai pembanding, pembuatan etanol dari bahan baku jagung telah dilakukan oleh Llyod  dan  Wyman  (2005),  dengan  kadar  total padatan 1%, dosis selulase 60 FPU/g.selulosa dan waktu 72 jam telah diperoleh efisiensi  berkisar 78,9-93%.  Dibandingkan  dengan  hasil  yang diperoleh  dari  penelitian  sebelumnya,  efisiensi hidrolisis penelitian ini masih lebih rendah, namun demikian dapat berlangsung dengan waktu inkubasi lebih singkat dan dengan dosis selulase lebih rendah serta berlangsung pada kadar padatan sludge yang lebih tinggi. Berdasarkan  karakteristik bahan, sludge IPAL sebagai limbah industri pulp dan kertas yang merupakan senyawa lignoselulosa generasi kedua dari hasil penelitian ini cukup prospektif
dimanfaatkan sebagai bahan baku bioetanol. Peningkatan efisiensi masih bisa dilakukan dalam suatu kondisi proses untuk mengoptimasi beban enzim melalui perlakuan terhadap substrat dan penghomogenan campuran dalam suatu reaktor kontinyu.

## Kondisi Optimum Proses Fermentasi
Proses fermentasi dapat dilakukan dengan menggunakan ragi dari berbagai spesies yang salah satunya adalah S. cerevisiae . Ragi ini banyak digunakan untuk fermentasi alkohol dari berbagai jenis biomassa dalam berbagai kondisi fermentasi. Penggunaan spesies ragi yang berbeda dalam produksi bioetanol sangat berpengaruh terhadap konsentrasi bioetanol yang dihasilkan. Selain itu, konsentrasi bioetanol yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh suhu, pH, sumber karbon, sumber nitrogen, dan waktu inkubasi dari masing masing ragi selama fermentasi (Anindyawati, 2009). Dalam penentuan kondisi optimum proses fermentasi, digunakan substrat gula hasil hidrolisis dari sludge A. Gambar 3 menunjukkan bahwa kadar etanol yang dihasilkan dari proses fermentasi terhadap produk hidrolisis sludge A pada pH 4,0 dan pH 4,5 cenderung tidak berbeda, yaitu  masing-masing  berturut-turut  berada  pada kisaran 0,62-2,47% dan 0,84-3,38%. Sedangkan pada  pH  5,0;  5,5;  dan  6,0  masing-masing menunjukkan kadar etanol yang lebih rendah, yaitu  berturut-turut  0,25%-1%;  0,07%-0,3% dan 0,035-0,13%.  Berdasarkan hasil percobaan
tersebut, dapat disimpulkan bahwa pH optimum untuk proses fermentasi alkohol dengan S. cerevisiae adalah pH 4,5, baik yang berlangsung dengan lama inkubasi 24 jam (hari ke-1) sampai 96  jam  (hari  ke-4).  Ditinjau  dari  lama  waktu inkubasi menunjukkan kecenderungan makin lama inkubasi hingga 96 jam memberikan hasil terbaik yang ditetapkan sebagai kondisi optimum.

## Sakarifikasi-Fermentasi Serentak (SSF)
Saat ini, pembuatan bioetanol banyak dikembangkan dengan menggunakan metode proses Simultaneous  Saccharification  and Fermentation (SSF)  atau  Sakarifikasi  dan Fermentasi  Serentak  (SFS)  karena  dilakukan dalam satu reaktor sehingga lebih efisien. Reaktor
proses hidrolisis diatur pada kondisi optimum, polisakarida secara enzimatis didegradasi menjadi monosakarida yang kemudian dapat langsung difermentasi oleh S. cerevisiae . Selulase digunakan untuk memecah selulosa menjadi glukosa yang kemudian difermentasi oleh S. cerevisiae menjadi alkohol dan karbondioksida. Saccharomyces cerevisiae yang digunakan telah mengalami aklimatisasi terhadap media gula pereduksi secara bertahap selama 2 minggu. Jumlah S. cerevisiae yang digunakan untuk proses  SSF  adalah  5.10 6 /mL.  Hasil  percobaan proses SFS dapat dilihat pada Gambar 4. Pada proses ini terjadi perubahan pH, yang menunjukkan adanya reaksi aktivitas S. cerevisiae . Perubahan pH pada percobaan yang menggunakan substrat sludge A menunjukkan
Gambar 4. Hasil Proses SSF (A. kadar etanol, B. efisiensi proses, dan C. perubahan pH)
Pemanfaatan Sludge  Instalasi Pengolahan Air Limbah Industri Pulp dan... : Rina S. Soetopo, dkk.
ada sedikit penurunan yaitu dari pH 4,7  ke  4,6. Perubahan tersebut terjadi setelah inkubasi 48 jam. Lain halnya dengan perubahan pH pada percobaan yang menggunakan substrat sludge B menunjukkan adanya penurunan yang signifikan yaitu dari pH 4,7 ke 3,8. Adanya penurunan pH tersebut disebabkan oleh terbentuknya asam karbonat dan asam-asam organik lainnya selama proses sakarifikasi-fermentasi (Li, 2011). Adanya perbedaan penurunan pH pada percobaan yang menggunakan substrat sludge A dengan sludge B disebabkan sludge A berasal dari pabrik kertas yang memiliki kadar abu lebih tinggi, yaitu 21,96%, yang berarti mengandung kadar anorganik yang kemungkinan dapat menetralisir pembentukan asam yang terbentuk saat proses sakarifikasi-fermentasi  (Li,  2011),  sedangkan sludge B berasal dari pabrik pulp dan kertas yang memiliki kadar abu rendah, yaitu 3,1%, sehingga kandungan anorganiknya tidak cukup sebagai penetralisir  asam-asam  yang  terbentuk  saat proses sakarifikasi-fermentasi.
Kadar etanol yang dihasilkan dari proses SFS dengan substrat sludge A  berkisar pada 2,68% - 3,45%, yang menunjukkan lebih tinggi dibanding dengan menggunakan sludge B        berkisar 0,67%  -  2,89%  (Gambar  4).  Kecenderungan sludge A lebih potensial dari sludge B tersebut sejalan  dengan  efisiensi  proses  SFS  untuk masing-masing  substrat,  yaitu  58,6%-72,5% dengan  substrat sludge A  dan  14,1%-60,8% dengan subsrat sludge B. Hal tersebut disebabkan oleh adanya penurunan pH selama proses yang mengakibatkan pH tidak optimum untuk proses fermentasi sludge B. Selain itu, pada sludge B terdapat  adanya  unsur-unsur  penghambat  yang berasal dari limbah industri pulp dan kertas yang kemungkinan berasal dari derivat lignin (Petro dkk., 2010).

## KESIMPULAN
1.  Karakteristik dari 4 (empat) jenis sludge primer IPAL industri pulp dan kertas yang berbeda produk dan bahan bakunya memiliki kandungan komponen organik dengan komposisi terdiri dari lignin berkisar 0,5-21,96%;  holoselulosa  sekitar  70,70- 77,70%;  α-selulosa  berkisar  28,79-80,15%; hemiselulosa yang berupa pentosan sekitar 4,25-13,81%.
2.  Hasil uji potensi sludge menunjukkan bahwa sludge primer yang berasal dari pabrik kertas
berbahan baku pulp virgin dan yang berasal dari pabrik pulp dan kertas berbahan baku kayu memberikan potensi sebagai bahan baku bioetanol .
3.  Sludge dengan kadar padatan 6% merupakan kondisi terbaik untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku bioetanol. Penambahan enzim terbaik pada proses hidrolisis adalah dosis selulase  sebesar  9  FPU/g  selulosa  dan  beta glukosidase 6,7 IU/FPU dengan lama inkubasi 48 jam pada pH 5,0 dan suhu 50 o C. Hasil yang diperoleh untuk sludge A dari industri kertas adalah kadar gula pereduksi 31,3% dengan efisiensi 64%, sedangkan untuk sludge B dari industri kertas pulp dan kertas memberikan kadar gula pereduksi 36,2% dengan efisiensi 71%.
4. Proses  SFS  pada  kondisi  pH  4,5  dan  suhu 28 o C selama 4 hari dengan penggunaan enzim selulase 9 FPU/g dan beta glukosidase 6,7 IU/ FPU serta ragi S. cerevisiae 5.10 6 /mL dapat menghasilkan kadar etanol tertinggi sebesar 3,45%  dengan  efisiensi  72%  untuk sludge A, sedangkan untuk sludge B menghasilkan kadar etanol tertinggi 2,89% dengan efisiensi 60%.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih  disampaikan  kepada Kementerian Riset dan Teknologi yang telah mendanai penelitian ini melalui Program Insentif Peningkatan Kemampuan Peneliti dan Perekayasa (PIPKPP) Tahun 2011.

## DAFTAR PUSTAKA
Achira, M., 2009. “Bioconversion of paper mill lignocellulosic materials to Lactic Acid Using Cellulose  Enzyme  Complex  and  Microbial Cultures”. Master of Science Thesis . Kansas State University. Manhattan. Kansas. Anindyawati, T., 2009. Prospek Enzim dan Limbah Lignoselulosa untuk Produksi Bioetanol . Berita Selulosa. Volume 44. No.1. Juni. 49-56. Harmsen, P. F. H., Huijgen, W. J. J., Bermúdez López, L.M., Bakker, R. R. C., 2010. Physical and Chemical Pretreatment Processes for Lignocellulosic Biomass. Food and Biobased Research. Wageningen. Nederland.
Hu. G., John A. H., Orlando, J. R., 2008. Feedstock Pretreatment Strategies for Producing Ethanol from  Wood,  Bark  and  Forest  Residues.
BioResources . 3(1). 270-294.
Kerstetter J.D., Lynd, L., Lyford, K., South, C., 1997. Assessment of Potential for Conversion of  Pulp  and  Paper  Sludge  to  Ethanol  Fuel in  the  Pacific  Northwest.    Cooperative Extension Energy Program. Washington.
Knutson,  K.,  Ragauskas,  A.,  Frederick  Jr.,  W.
J., Iisa, K., 2007. Production of Ethanol from  Forest  Residues.  Georgia  Institute  of Technology, Atlanta, http://www.nt.ntnu.no/ users/skoge/prost/proceedings/aiche-2008/ data/papers/P138996.HTM . diakses tanggal 28 Oktober 2012.
Li, K., 2011. “ Bioconversion of Pulp and Paper Mills Sludge and Prehydrolysate Stream into Ethanol and Cellulase Enzyme”. dissertation . Auburn University. Alabama. Lucy, A., Nora, I., 2011. Penentuan Lignin dan Kadar Glukosa dalam Hidrolisis Organosolv dan Hidrolisis Asam. Sains    dan Terapan Kimia , Vol.5, No. 2, 140-150. Marquez,  S.,  Alves,  L.,  Roseiro,  J.  C.,  Gı´rio, F.M.,  2008.  Conversion  of  recycled  paper sludge  to  ethanol  by  SHF  and  SSF  using Pichia stipitis. Biomass and Bioenergy 32, 400 – 406 Peng, L., Chen, Y., 2011. Conversion of Paper Sludge to Ethanol by Seperate Hydrolysis and Fermentation  (SHF)  Using Saccharomyces cerevisiae . Biomass and Bioenergy 35, 1600- 1606
Petro, S., 2010. Fermentation In the Yeast Saccharomyces cerevisiae .  http: // phobos. ramapo.edu/~spetro/lab_pdf/Fermlab.pdf , diakses 28 Oktober 2012 Petrova,  P.,  Ivanova,  V.,  2010,  Perspectives For  The  Production  Of  Bioethanol  From Lignocellulosic Materials. Biotechnol. & Biotechnol .  Eq.  24/2010/Special  Edition. 529–546. Purwati, S., Soetopo, R. S., Setiaji, Setiawan, Y., 2006.  The Potency and Alternative of Solid Waste Utilization from Pulp and Paper Industry. Journal of Cellulose. Vol. 41. No. 2., 67- 79. Samsuri, M., Gozan, M., Mardias, R., Baiquni, M., Hermansyah, H., Wijanarko, A., Prasetya, B., Nasikin., M., 2007. Pemanfaatan Selulosa Bagas Untuk Produksi Ethanol Melalui Sakarifikasi dan Fermentasi Serentak Dengan Enzim Xylanase . Makara , Teknologi, Vol. 11, No. 1, 17-24 Vert è s, A. A., Qureshi, N., Blaschek, H. P., Yukawa, H., 2010. Biomass to Biofuels: Strategies for Global Industries. John Wiley & Sons, Ltd. Publication.
Zhiliang,  F.,  Lynd,  L.R.,    2007.  Conversion of Paper Sludge to Ethanol. I: Impact of Feeding  Frequency  and  Mixing  Energy Characterization . Bioprocess Biosyst Eng . 30: 27 – 34.