## BIOETHANOL PRODUCTION FROM WASTE PAPER USING SEPARATE HYDROLYSIS AND FERMENTATION
Pembuatan Bioetanol Berbahan Baku Kertas Bekas menggunakan Metode Hidrolisis Asam dan Fermentasi
Cindi Ramayanti 1* , Ketty R. Giasmara 2
1 Industrial Department, Faculty of Engineering Singaperbangsa Karawang University, Teluk Jambe Timur, Karawang- Indonesia
2 Sriwijaya Alam Segar Company Jl. Tanjung Siapi Api Rt. 11/05 Talang Kelapa, Banyuasin-Indonesia
*Corresponding author, e-mail: cindi.ramayanti@ft.unsika.ac.id
Received: January 2017 Published: July 2017

## ABSTRACT
The enormous global daily consumption of  liquid  fuels is  of the order of 80  million barrels/day (equivalent of 12.7 million m 3 /day). The sugar cane area required to produce the same volume of ethanol is about 700 million hectares,assuming a yield of 6.5 m 3 /ha/year of ethanol. This study focus to use the second generation feedstock for  bioethanol  production.  Waste  papers  have  cellulose  biomass  in  high  percentage  so  that  can  be  used  as potential alternative biomass feedstock to convert bioethanol. Alkaline delignification was conducted by sodium hydroxide  (NaOH)  and  then  hydrolyzed  using  sulfuric  acid  (H 2 SO 4 )  diluted  with  various  concentrations  (2%; 2.5%; 3%; 3.5%; 4%; and 5% (v/v) and then fermentation was carried out by Saccharomyces cereviciae with the variation fermentation time (4 days, 5 days, 6 days, 7 days, and 8 days). Ethanol will be produced after separated using evaporation process. The results for the paper inked with the highest ethanol content of  6,12% (v/v) was obtained at a concentration of 4% sulfuric acid (v / v) and 7 days fermentation time. While the paper without ink obtained  the  highest  ethanol  content  of  8,13  %  (v  /  v)  sulfuric  acid  at  a  concentration  of  4%  (v/v)  and  7  days fermentation time
Keywords : Bioethanol, fermentation, hydrolysis, waste paper

## PENDAHULUAN
Energi  merupakan  salah  satu  permasalahan utama pada saat ini. Sampai saat ini bahan bakar minyak  masih  menjadi  konsumsi  utama  negara- negara  di  dunia.  Harga  bahan  bakar  minyak dunia  pun  meningkat  pesat.  Produksi  minyak bumi  dunia  diperkirakan  akan  turun  hingga  20 billion barrels pada tahun 2050 (Sun and Cheng, 2002).  Permasalahan  inilah  yang  membawa dampak  pada  meningkatnya  harga  jual  bahan bakar  minyak  di  Indonesia.  Di  sisi  lain, permintaan  bahan  bakar  minyak  dalam  negeri jumlahnya terus meningkat akibat adanya usaha- usaha  perbaikan  ekonomi  dan  pertambahan penduduk.
Namun  dibalik  ancaman  serius  di  atas  ada peluang bagi energi - energi alternatif, khususnya energi  yang  dapat  diperbaharui  ( renewable energy )  untuk  dimanfaatkan  secara  optimal. Salah  satu  energi  terbarukan  yang  mempunyai potensi  besar  di  Indonesia  adalah  biomassa.
Biomassa  dapat  digunakan  sebagai  bahan  baku untuk pembuatan bioetanol yang dapat digunakan  sebagai  bahan  bakar  alternatif  untuk bensin.
Salah  satu  sumber  biomassa  yang  sampai saat  ini  jarang  digunakan  adalah  limbah  kertas. Tingkat  konsumsi  kertas  di  Indonesia  bahkan  di dunia  terus  mengalami  peningkatan.  Saat  ini kebutuhan  kertas  dunia  sekitar  394  juta  ton  dan diperkirakan  akan  meningkat  menjadi  490  juta ton  pada  2020.  Sementara  itu,  kebutuhan  kertas di dalam negeri pada 2011 mencapai 5,2 juta ton (Huda, 2014).  Penanganan limbah kertas dengan cara  penimbunan  dan  pembakaran  sangat merugikan  lingkungan  dan  kesehatan,  terlebih lagi  biasanya  memiliki  harga  jual  yang  sangat rendah.  Salah  satu  metode  penanganan  limbah kertas adalah mengubahnya menjadi bioetanol.
Limbah kertas mengandung serat lignosellulosa,  serat  ini  dapat  diubah  menjadi gula sederhana melalui proses hidrolisa.
Kemudian  gula  yang  terbentuk  diubah  menjadi etanol melalui proses fermentasi. Untuk memecah  lignosellulosa  menjadi  gula  sederhana yang  siap  difermentasi  diperlukan  metode pretreatment  yaitu  hidrolisa.  Proses  hidrolisa  ini dapat dilakukan dengan metode asam encer atau metode  enzimatik.  Hidrolisa  sellulosa  secara enzimatik  memberi  yield  etanol  sedikit  lebih tinggi  dibandingkan  metode  hidrolisa  asam (Palmqvist and Hahn-Hägerdal,  2000). Namun, proses  enzimatik  tersebut  merupakan  proses yang  paling  mahal.  Proses  recycle  dan  recovery enzim  selulosa  diperlukan  untuk  menekan tingginya  biaya  produksi  (Iranmahboob  et  al., 2002; Szczodrak and Fiedurek, 1996). Sehingga, metode  hidrolisa  asam  encer  lebih  unggul dibandingkan  metode  enzim  dari  segi  biaya  dan waktu pembentukan (Anggoro, 2014).
Pada  penelitian  ini  dipelajari  pengaruh konsentrasi  asam  sulfat,  jenis  kertas  dan  waktu fermentasi terhadap kadar etanol yang dihasilkan dari limbah kertas melalui proses hidrolisa asam dan dilanjutkan dengan fermentasi.

## METODOLOGI

## Bahan
Limbah  kertas  bertinta  dan  tanpa  tinta, KOH,  NaOH,  Aquadest,  H 2 SO 4 (2,0%;  2,5  %; 3,0%;  4,0  %;  dan  5,0%  (v/v)),  kertas  saring Whatman no. 42, Ragi.

## Alat
Peralatan  gelas  standar,  Pemanas  listrik, Aluminium  Foil  /  Gabus,  Pengaduk  /  Spatula, Fermentor,  Autoclave,  Destilasi  /  Evaporator, Piknometer, GC ( Gas Chromatography )

## Prosedur Kerja
Penelitian  dilakukan  dengan  memotong limbah  kertas  menjadi  ukuran  yang  seragam kurang  lebih  5  mm.  Tahap  berikutnya  adalah pengolahan  awal  dengan  menggunakan  natrium hidroksida (NaOH) pada suhu 121 o C selama 60 menit.  Campuran  didinginkan  pada  suhu  kamar kemudian  dilakukan  pencucian  sebanyak  lebih kurang  tiga  kali.  Proses  perlakuan  awal dilakukan  karena  beberapa  faktor  seperti kandungan lignin, ukuran partikel, serta kemampuan hidrolisis dari selulosa dan hemiselulosa (Hendrik and Zeeman, 2009). Selanjutnya  dilakukan  proses  hidrolisis dengan  menggunakan  asam  sulfat  (H 2 SO 4 ) dengan  variasi  konsentrasi  (2,0%;  2,5  %;  3,0%;
4,0  %;  dan  5,0%  (v/v))  per  sampelnya  selama satu jam pada suhu 121 o C. Setelah itu campuran didinginkan pada suhu kamar untuk menghentikann  reaksi.  Kemudian  pH  sampel diatur dengan menambahkan NaOH.
Proses fermentasi  menggunakan  15%  berat sampel ragi roti (Yeast Saccaromyces cerevisiae).  Erlenmeyer  yang  berisi  sampel dihubungkan  dengan  selang  karet  kemudian ujung selang dimasukkan kedalam air agar tidak terjadi  kontak  langsung  dengan  udara.  Proses fermentasi  ini  dilakukan  sesuai  dengan  variabel yaitu 4, 5, 6, 7, dan 8 hari.
Untuk  memisahkan  etanol  dari  larutan sampel  dilakukan  dengan  proses  evaporasi  pada suhu  78  –  80 o C.  Etanol  yang  dihasilkan  dari proses fermentasi dianalisa menggunakan piknometer dan GC.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Bahan baku yang digunakan pada penelitian ini  adalah  kertas  bekas.  Dari  literatur  diperoleh bahwa  bahan  baku  kertas  bekas  mengandung selulosa  69  –  99 %b, hemiselulosa  0  –  12 %b , dan  lignin  0  –  15 %b .  Komposisi  ini menunjukkan bahwa  kertas bekas cukup berpotensi  sebagai  bahan  baku  pembuatan etanol.  Kandungan  selulosa  dan  hemiselulosa yang tinggi pada bahan baku dapat menghasilkan glukosa  dengan  kandungan  yang  tinggi,  yang dapat  dikonversi  menjadi  etanol  dengan  jalan fermentasi,  sedangkan  kandungan  lignin  akan menyebabkan  terbentuknya  senyawa  turunan fenol.  Senyawa  tersebut  akan  bersifat  racun  dan menghambat proses fermentasi.
Kandungan  lignin  sangat  berpengaruh  pada reaksi  hidrolisis  selulosa.  Reaksi  hidrolisis  ini tidak  hanya  dipengaruhi  oleh  kondisi  reaksi seperti  suhu  dan  konsentrasi  asam,  namun  juga dipengaruhi  oleh  sifat  fisik  selulosa  dan  faktor sterik  yang  dapat  menghalangi  penetrasi  asam terhadap molekul selulosa.
Kombinasi  hemiselulosa  dan  lignin  pada tumbuhan  menghasilkan  lapisan  pelindung  yang kuat  di  sekitar  selulosa  yang  harus  dihilangkan terlebih  dahulu  sebelum  hidrolisis  selulosa dilakukan.  Semakin  besar  kandungan  lignin dalam kertas, maka semakin besar pula halangan sterik  yang  akan  menghambat  penetrasi  asam pada  molekul  selulosa  dan  mengakibatkan jumlah  glukosa  yang  dihasilkan  dari  reaksi hidrolisis menjadi lebih kecil.
Proses  hidrolisa  bertujuan  untuk  memecah ikatan dan menghilangkan kandungan lignin dan hemisellulosa  serta  merusak  struktur  kristal sellulosa  menjadi  senyawa  gula  sederhana. Menurut  Sun and Cheng  (2002),  ukuran  bahan baku  akan  mempengaruhi  porositas  sehingga dapat  memaksimalkan  kontak  antara  bahan dengan  asam  untuk  meningkatkan  hidrolisis hemisellulosa. Semakin kecil ukuran bahan baku yang digunakan akan mempermudah terdegradasinya  lignin  sehingga  sellulosa  dan hemisellulosa  akan  terhidrolisa  secara  optimal. Penelitian ini menggunakan kertas bekas dengan ukuran sekitar 5 mm.

## Pengaruh Keberadaan Tinta terhadap Kadar Etanol yang Dihasilkan dari Kertas Bekas
Keberadaan tinta pada kertas dapat mengganggu  berlangsungnya  reaksi  hidrolisis. Sebagaimana  halnya  lignin,  keberadaan  tinta pada  kertas  dapat  menghambat  penetrasi  asam pada  selulosa.  Bagian  terbesar  penyusun  tinta, sekitar  80%  hingga  95%  adalah  polimer  resin, yang  berfungsi  antara  lain  sebagai  dispersan, pengatur  viskositas,  serta  memperkuat  interaksi partikel  tinta  dengan  substrat  (Wiseman,  1985). Keberadaan  resin  dan  tinta  dapat  menghalangi permukaan  selulosa  sehingga  hidrolisis  oleh asam  tidak  berjalan  dengan  baik.  Sekalipun dalam penelitian telah dilakukan proses pretreatment  dengan  penambahan  NaOH  namun tinta yang melekat pada kertas tetap ada.
Tabel 1. Perbandingan Kadar Etanol pada Kertas
Bertinta dan Kertas Tidak Bertinta Konsentrasi Asam (%)
Waktu
Fermentasi (Hari)
Kadar Etanol (%v/v) Kertas Bertinta
Kertas Tidak Bertinta 4 4 0,7912 1,0404 5 1,3787 1,5162 6 2,5894 3,1700 7 6,1223 8,1661 8 0,9568 1,0603
Hasil  yang  ditunjukkan  Tabel  1  bahwa kertas  tanpa  tinta  menghasilkan  kadar  etanol yang  lebih  tinggi  dibandingkan  kertas  yang bertinta. Hal ini disebabkan oleh proses hidrolisis pada  kertas  tidak  bertinta  lebih  optimal  karena tidak  ada  penghalang  seperti  tinta  dan  resin
termoplastik  yang  dapat  menutup  permukaan selulosa.  Dengan  proses  hidrolisis  yang  lebih optimal  maka  glukosa  yng  dihasilkan  lebih banyak  dan  etanol  yang  diperoleh  dari  proses fermentasi juga lebih banyak.
Secara  keseluruhan,  apabila  dibandingkan dengan  kadar  etanol  dari  kertas  tidak  bertinta, maka  kadar  etanol  dari  kertas  bertinta  sedikit lebih  rendah.  Hal  ini  dikarenakan  pada  saat delignifikasi  masih  tersisa  sedikit  pengotornya (tinta)  yang  akan  menjadi  inhibitor  pada  proses selanjutnya.  Sehingga  pada  saat  fermentasi, inhibitor  (tinta)  yang  terdapat  dalam  sampel lebih  menghambat  perubahan  atau  reaksi  kimia yang terjadi dalam proses fermentasi.

## Pengaruh Konsentrasi Asam terhadap Kadar Etanol yang Dihasilkan dari Kertas Bekas
Dari  Gambar  1  dapat  diambil  kesimpulan bahwa  semakin  tinggi  konsentrasi  asam  sulfat yang  digunakan  maka  akan  semakin  tinggi  pula kadar  etanol  yang  didapat.  Sampai  pada konsentrasi  asam  optimum  maka  akan  terjadi penurunan  kadar  etanol.  Pada  proses  hidrolisa, gugus H + dari H 2 SO 4 akan mengubah gugus serat dari  kertas  menjadi  gugus  radikal  bebas.  Gugus radikal  bebas  serat  yang  kemudian  akan berikatan  dengan  gugus  OH-  dari  air  dan menghasilkan  glukosa.  Pada  saat  konsentrasi larutan  H 2 SO 4 4%  kebutuhan  H + dari  H 2 SO 4 telah  mencukupi  pembentukan  gugus  radikal bebas dari serat kertas dan glukosa menghasilkan kadar glukosa yang maksimal.
Namun jika dilakukan penambahan konsentrasi larutan H 2 SO 4 menyebabkan glukosa yang  dihasilkan  semakin  menurun.  Meskipun peningkatan  konsentrasi  larutan  H 2 SO 4 akan terbentuk lebih banyak gugus radikal bebas serat, tetapi  penambahan  larutan  H 2 SO 4 menyebabkan semakin  sedikit  air  dalam  komposisi  larutan hidrolisis.  Akibatnya  kebutuhan  ion  hidroksida sebagai  pengikat  radikal  bebas  serat  berkurang dan  glukosa  yang  dihasilkan  semakin  sedikit  ( Arianie dan Idiawati, 2011). Hal ini menyebabkan  konsentrasi  asam  optimum  untuk reaksi hidrolisis kertas menjadi glukosa terbanyak adalah 4%. Kadar etanol yang didapat dari proses fermentasi sebesar 6,12 %.
Gambar 1. Pengaruh Konsentrasi Asam terhadap Kadar Etanol

## Pengaruh Waktu Fermentasi terhadap Kadar
Etanol yang Dihasilkan dari Kertas Bekas
Hasil  yang  ditunjukkan  dari  Gambar  2 merupakan  kadar  etanol  yang  dipengaruhi lamanya  waktu  fermentasi.  Terlihat  bahwa semakin  lama  waktu  fermentasi  maka  kadar etanol  yang  dihasilkan  semakin  banyak  hingga waktu  optimum  kemudian  akan  menurun. Kenaikan  kadar  etanol  ini  juga  terjadi  karena lama  fermentasi  berhubungan  erat  dengan  kurva pertumbuhan  mikroba.  Pertumbuhan  mikroba terdiri  dari  enam  fase,  yaitu  fase  adaptasi,  fase permulaan  pembiakan,  fase  pembiakan  cepat, fase  konstan  atau  stasioner  dan  fase  terakhir adalah fase kematian (Said, 1994).
Gambar 2. Pengaruh Waktu Fermentasi terhadap Kadar Etanol
Pada  mulanya  mikroba  mengalami  log phase, pada fase ini mikroba mulai menyesuaikan diri dengan lingkungannya. Untuk fermentasi nira aren ini, fase adaptasi
berlangsung  pada  ke-4.  Dapat  dilihat  dari  kadar etanol  yang  dihasilkan,  yaitu  1,04  %.  Pada  fase ini  pertumbuhan  belum  begitu  terjadi,  artinya pertumbuhan  berjalan  sangat  lambat.  Fase selanjutnya  adalah  fase  permulaan  pembiakan merupakan fase yang paling lama terjadi, dimana untuk kertas bekas diperkirakan hari ke-5 dan ke- 6. Berikutnya adalah fase pembiakan cepat, fase ini  pertumbuhan  mikroba  yang  tercepat  dengan melihat  kemiringan  kurva  adalah  yang  paling curam.
Setelah  itu  adalah  fase  konstan  atau stasioner,  pada  fase  ini  pertumbuhan  mikroba telah  menghasilkan  kadar  etanol  optimum  yang berlangsung  pada  hari  ke-7,  sehingga  pada  hari ke-7 diperoleh kadar etanol tertinggi sebesar 8,16 %.  Fase ini  merupakan  fase  untuk  pembentukan produk etanol yang terbesar. Kemudian setelah 7 hari  mikroba  akan  mengalami  stationary  phase, dimana  jumlah  mikroba  yang  tumbuh  sama banyaknya  dengan  mikroba  yang  mati  sehingga tidak  ada  penambahan  jumlah  mikroba  yang akan mengubah substrat menjadi etanol sehingga etanol  yang  terbentuk  cenderung  konstan. Setelah  mikroba  mengalami  stationary  phase maka  akan  berlanjut  menjadi  death  phase  /  fase kematian.
Hal ini sesuai dengan pertumbuhan mikroba.  Pada  hari  pertama,  kedua,  dan  ketiga etanol  yang  dihasilkan  belum  optimal  karena yeast  Saccharomyces  cerevisiae  berada  pada tahap lag phase dan exponential phase. Tahap lag phase  merupakan  tahap  adaptasi  mikroba terhadap  lingkungan  dan  exponential  phase adalah  tahap  dimana  mikroba  mulai  melakukan pertumbuhan.  Dengan  demikian  aktivitas  untuk pembentukan produk etanol belum optimal.
Fase  terakhir  adalah  fase  kematian,  fase  ini terjadi  karena  substrat  atau  persenyawaan tertentu  dipakai  untuk  pertumbuhan  mikroba sudah habis dan juga terjadi penumpukan produk –  produk  penghambat.  Penurunan  kadar  etanol pada hari ke-8 diakibatkan karena adanya reaksi oksidasi  etanol  menjadi  asam  asetat  oleh acetobacter sehingga kadar etanol yang dihasilkan menjadi lebih rendah.
Perbandingan  Analisa  Kadar  Etanol  dengan Metode Gas  Chromatograph (GC)  dan Piknometer
Dari  Hasil  analisa  GC  terlihat  perbedaan antara  nilai  hasil  analisa  secara  piknomter dengan  menggunakan  GC.  Perbedaaan  tersebut
0 1 2 3 4 5 6 7 0 2 4 6 Ka d ar Et an o l (% v /v ) Konsentrasi Asam (%)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 4 6 8 10 k a d a r eta n o l (% v /v ) waktu fermentasi (hari)
disebabkan  karena  dalam  analisa  piknometer, produk  masih  mengandung  senyawa  lain sedangkan  dari  analisa  GC  hanya  menganalisa etanol  murni  yang  dihasilkan.  Dari  hasil  GC  ini kadar  etanol  tertinggi  untuk  konsentrasi  H 2 SO 4 4,0  %  pada  waktu  fermentasi  7  hari  adalah 5,32 %.
Gambar 3. Perbandingan Hasil Analisa Etanol pada Kertas dengan Metode Kromatografi Gas dan Piknometer

## KESIMPULAN
Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  dapat disimpulkan  bahwa  konsentrasi  asam  sulfat mempengaruhi kadar etanol yang dihasilkan dan lama  waktu  fermentasi  dan  jenis  kertas  juga mempengaruhi  kadar  etanol  yang  dihasilkan. Kondisi  optimum  untuk  menghasilkan  etanol berbahan  baku  limbah  kertas  dengan  kadar etanol  6,12%  (v/v)  untuk  kertas  bertinta  dan 8,16%  (v/v)  kertas  tanpa  tinta  didapat  pada konsentrasi  asam  sulfat  4%  dan  lama  waktu fermentasi 7 hari.

## DAFTAR PUSTAKA
Anggoro,  Didi  Dwi,  2014,  Hidrolisis  Selulosa menjadi  Glukosa  dengan  Katalis  Heterogen Arang Aktif Tersulfonasi. Jurnal Reaktor , 15
(2) : 126-131.
Arianie,  lucy  dan  Idiawati,  Nora,  2011, Penentuan Lignin dan Kadar Glukosa dalam Hidrolisis  Organosol  dan  Hidrolisis  Asam. Sains dan Terapan Kimia , 5 (2) : 140-150.
Hendrik,  A.T.,  Zeeman,  G.,  2009,  Pretreatments to Enhance The Digestibility Of Lignocellulosic Biomass. Bioresource Technology , 100 : 10-18. Huda, Misbahul, 2014, Industri Pulp dan Kertas Tambah Kapasitas Produksi . industri.kontan.co.id/news/industri-pulp-dan- kertas-tambah-kapasitas-produksi didownload tanggal 30 Oktober 2017.
Iranmahboob,  J.,  Nadim,  F.,  Monemi,  S.,  2002,
Optimizing  Acid-Hydrolysis:  A  Critical  Step for Production of Ethanol from Mixed Wood Chips .  Biomass  and  Bioenergy,  22  :  401- 404.
Palmqvist, E.,  Hahn-Hägerdal, B., 2000, Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. II:  inhibitors  and  mechanisms  of  inhibition.
Bioresource Technology, 74 : 25-33.
Said, G, 1994, Bioindustri Teknologi Fermentasi .  Mediyatama  Sarana  Perkasa.
Jakarta.
Sun,  Y.,  Cheng,  J.,  2002, Hydrolysis  of
Lignocellulosic Materials for Ethanol Production: A Review . Bioresource Technology, 83 : 1-11.
Szczodrak, J., Fiedurek, J., 1996, Technology for Conversion  of  Lignocellulosic  Biomass  to Ethanol. Biomass Bioenergy, 10 : 367-375. Wiseman,  Frank  L.,  1985, Chemistry  in  the Modern  World:  Concept  and  Application . McGraw-Hill. New York.
0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 Ka d ar Et an o l (% v /v ) Konsentrasi Asam GC Piknometer