## OPTIMASI PROSES BIOETANOL DARI KULIT KOPI DENGAN MENGGUNAKAN PROSES HIDROLISIS

## VIBROUS BED BIOREAKTOR
Murni 1 , Fahmi Arifan 2 , Zainal Abidin 3

## Abstrak
Kopi  adalah  tanaman  kopi  yang  telah  di  ambil  buahnya,  sehingga  tinggal kulitnya  yang  merupakan  libah  pertanian  yang  jarang  sekali  dimanfaatkan. Kulit kopi mengandung 71,2%, protein kasar 3,9%, lemak kasar 1,8%, serat kasar  28,8%,  BETN  37,1%,  dan  TDN  40,2%.  Tujuan  penelitian  ini  adalah untuk  mengembangkan  vibrous  bed  bioreactor  dan  proses  fermentasi  fed batch untuk produksi bioetanol dari limbah kulit kopi dengan menggunakan enzim    immobilized  Zymomonas  mobilis  sehingga  diperoleh  yield  tinggi. Penelitian dilakukan dengan melakukan eksperimental dan perancangan serta pabrikasi Vibrous Bed Bioreaktor untuk menentukan kinetika reaksi hidrolisa enzimatis  dan  komputasi  proses.  Studi  optimisasi  dilakukan  dengan menggunakan  faktoral  design  2 n .  Parameter-parameter  yang  diteliti  adalah rasio  enzim-substrat,    rasio  kulit  kopi-air,  pH  reaksi  dan  waktu  reaksi. Selama  tempuhan,  diukur  kandungan  glukosa  yamg  dihasilakan  pada  saat fermentasi agar didapatkan kadar glukosa sebesar 14%. Sampel yang diambil hasil  reaksi  hidrolisa  enzimatis,  dianalisa  kadar  glukosanya  setiap  6  jam sekali dengan GC dan HPLC. Kadar glukosa dihitung persentasenya terhadap total campuran. Setelahnya dapat dilakukan proses pengkonversian biomassa menjadi  bioetanol  dan  dapat  dilakukan  pengujian  ferforma  motor  berbahan bakar bensin.
Kata Kunci: Kulit Kopi, Vibrous Bed Bioreaktor , Glukosa, Fermentasi

## PENDAHULUAN
Salah  satu  limbah  pertanian  di  Indonesia  yang  belum  dimanfaatkan  adalah  limbah tanaman  kopi  (kulit  kopi).  Kulit  kopi  adalah  tanaman  kopi  yang  telah  diambil  buahnya, sehingga tinggal kulitnya yang merupakan limbah pertanian terbesar serta belum sepenuhnya dimanfaatkan karena adanya faktor teknis dan ekonomis. Pada sebagian petani menggunakan kulit  kopi  sebagai  pakan  ternak  alternatif  di  musim  kemarau  ketika  kesulitan  mendapatkan pakan  ternak.  Akan  tetapi,  ketersediaan  kulit  kopi  yang  melimpah  sering  kali  menjadi permasalahan bagi petani dan untuk mengatasinya biasanya kulit kopi di bakar.
1 Jurusan Teknik Mesin Program Diploma, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang
2 Jurusan Teknik Kimia Program Diploma, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang
3 Jurusan Teknik Kimia Program Diploma, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang
Produksi  kulit  kopi  dapat  mencapai  12  -  15  ton  per  hektar  per  panen,  bervariasi tergantung  pada  lokasi  dan  jenis  varietas  tanaman  kopi  yang  digunakan.  Produksi  kopi nasional  mencapai  54,75  juta  ton  pertahun  pada  tahun  2010,  meningkat  sebesar  1,11% dibandingkan produksi padi tahun 2009. Peningkatan produksi padi juga diiringi peningkatan limbah jerami padi ( Berita Resmi Statistik., 2010 ).
Biomassa  berselulosa  terbentuk  dari  tiga  komponen  utama  yakni  selulosa, hemiselulosa  dan  lignin.  Selulosa  merupakan  komponen  utama  yang  terkandung  dalam dinding  sel  tumbuhan  dan  mendominasi  hingga  50%  berat  kering  tumbuhan.  Kulit  kopi diketahui  memiliki  kandungan  selulosa  yang  tinggi,  mencapai  34.2%  berat  kering,  24.5% hemiselulosa  dan  kandungan  lignin  hingga  23.4%.  Komposisi  kimia  limbah  pertanian maupun  limbah  kayu  tergantung  pada  spesies  tanaman,  umur  tanaman,  kondisi  lingkungan tempat tumbuh dan langkah pemprosesan. Perbandingan komposisi kimia beberapa biomassa disajikan pada Tabel 1.

## Tabel 1. Komposisi Kimia Berbagai Biomassa
Biomassa Selulosa(% b/b)  Hemiselulosa (% b/b) Lignin (% b/b) Kayu poplar Kulit kopi Switchgrass 49.9 34.2 31.0 20.4 24.5 24.4 18.1 23.4 17.6 Sumber: Wyman dkk, 1996
Struktur  biomassa  berselulosa  merupakan  struktur  yang  kompleks.  Oleh  karenanya, biomassa  berselulosa  merupakan  material  yang  lebih  sulit  didegradasi  dan  dikonversi dibandingkan  material  berbahan  dasar  dari  starch.  Konversi  enzimatis  biomassa  berselulosa menjadi bioetanol  melibatkan tiga langkah dasar yakni proses pretreatment, proses hidrolisa dan  proses  fermentasi.  Proses  pretreatment  bertujuan  mempermudah  akses  enzim  selulase untuk menghidrolisa selulosa menjadi monomer-monomer gula.
Hidrolisa  selulosa  secara  enzimatis  memiliki  potensi  untuk  meningkatkan  efisiensi, konversi  dan  produktifitas.  Hidrolisa  selulosa  secara  enzimatis  melibatkan  beberapa  enzim yang  berbeda.  Enzim  yang  disekresi  dari  filamentous  fungi Zymomonas  mobilis dapat
mengkonversi biomassa menjadi gula ( Hayn.,1993 ). Penelitian mengenai hidrolisa biomassa secara enzimatis telah dilakukan oleh beberapa peneliti, diantaranya hidrolisa berbahan baku limbah kayu softwood ( Wingren., 2003 ), jerami gandum ( Shcmitd., 1998 ), bonggol jagung ( Arifan, dkk., 2006; 2007 ) dan pinus. Yield yang diperoleh dari hidrolisa biomassa terutama dipengaruhi oleh jenis bahan baku ( Palonen, 2004 ).
Hidrolisa  selulosa  secara  enzimatis  memiliki  beberapa  keuntungan,  yaitu  konversi lebih tinggi, menghasilkan produk samping yang minimal, kebutuhan energi lebih rendah dan kondisi  operasi  yang  relatif  lebih  rendah.  Proses  enzimatis  merupakan  proses  bersih lingkungan.  Dengan  menggunakan  bahan  baku  terbarukan  ( renewable  raw  material )  yang ekonomis  dari  limbah  pertanian  untuk  proses  produksi  bioetanol  dapat  memberikan  nilai tambah  bagi  petani.  Saat  ini,  hidrolisa  enzimatis  merupakan  teknologi  yang  sangat menjanjikan  guna  mengkonversi  biomassa  menjadi  gula  untuk  selanjutnya  dikonversi menjadi bioetanol.
Selama ini produksi bioetanol di Indonesia yang bersumber dari biomassa berselulosa belum dikomersialkan. Meskipun telah banyak skema proses tentang produksi bioetanol dari biomassa yang dipatenkan, antara lain U.S. Paten No. 5.677.154; U.S. Paten No. 6.333.181; U.S. Paten No. 7.514.247; U.S. Paten No. 2008/0190013 A1; dan U.S. Paten No. 7.763.724, namun  dalam  prakteknya  di  industri  seperti  Kanada,  Amerika  dan  Eropa  masih  dilakukan secara  curah  dengan  konversi  hidrolisa  kurang  dari  50%.  Kelemahan  mendasar  dari  skema proses  produksi  seperti  ini  adalah  (i)  beban  pemurnian  sangat  tinggi,  (ii) start  up dan shutdown proses  produksi  berulang-ulang,  (iii)  produktivitas  rendah,  karena  waktu  tinggal relatif lama.
Hidrolisa  sellulosa  secara  enzimatis  merupakan  suatu  kasus  khusus  dalam  bidang enzimologi karena substrat berada dalam fasa padat sehingga hidrolisa berlangsung pada fasa padat. Penelitian-penelitian yang berkaitan dengan produksi bioetanol dari berbagai biomassa terus  dikembangkan,  baik  penelitian  yang  berkaitan dengan  enzim  yang  digunakan  maupun penelitian yang berkaitan dengan sumber bahan baku.
Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji pengembangan proses produksi bioetanol dari kulit  kopi  dengan  proses  inaktivasi  enzim  immobilized  Zymomonas  mobilis  melalui fermentasi  fed  batch  dengan  menggunakan  alat Vibrous  Bed  Bioreaktor .  Model  yang dipostulasi, kemudian diturunkan untuk memperoleh persamaan yang nantinya akan diuji dan
divalidasi dengan menggunakan data yang diperoleh dari eksperimental. Parameter-parameter yang diteliti adalah rasio enzim-substrat,  rasio kulit kopi-air, pH reaksi dan waktu reaksi.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  tentang  proses  produksi  bioetanol  dari  kulit  kopi  dalam Vibrous  Bed Bioreaktor inaktivasi  enzimatis  telah  diinvestigasi  baik  secara  eksperimen  maupun pemodelan.  Rangkaian  penelitian  dilaksanakan  secara  bertahap  meliputi:  studi  produktifitas glukosa,  perancangan dan pabrikasi Vibrous Bed Bioreaktor , studi kinetika reaksi hidrolisa enzimatis dan komputasi proses.
Bahan dan alat penelitian
Bahan  utama  penelitian  adalah  limbah  kulit  kopi  yang  diperoleh  dari area  penghasil kopi  di  Kecamatan  Gunungpati  Semarang.  Enzim  zymomonas  mobilis  murni  ( immobilized zymomonas mobilis ) dari Nuvo. Bahan-bahan kimia untuk keperluan analisa membeli di CV. Jurus  Maju  Semarang.  Sedangkan  bahan  tambahan  yang  diperlukan  adalah  Buffer  Acetate, Zymomonas Mobilis, Bovin Serum Albumin, Asam Sulfat, Demin Water, Glukosa Anhidrid, Fehling A dan B, NaOH, Metilen Blue, KH 2 PO 4 , MgSO 4 . 7 H 2 O, (NH 4 ) 2 SO 4 , NaHCO 3 dan Metanol  Teknis.  Alat  utama  penelitian  ini  berupa Vibrous  Bed  Bioreaktor .  Beberapa  alat yang  digunakan  untuk  percobaan  dan  sebagai  pendukung  terutama  untuk  keperluan  analisa (GC  dan  HPLC)  adalah: Fluidised  Sand  Bath  Reactor,  Digester,  Orbital  Shaker  Bath, Auotoclave, Viskosimeter, Bomb Calorimeter dan Pipa Kapiler .

## Variabel Percobaan
Variabel-variabel  percobaan  dalam  reaksi  hidrolisa  selulosa  secara  enzimatis  adalah rasio  enzim-substrat,    rasio kulit  kopi-air,  pH  reaksi  dan  waktu  reaksi.  Batas  atas dan  batas bawah untuk masing masing variabel disajikan pada Tabel 2.
Sedanagkan ketentuan pada percobaan pertama adalah:
Konsentrasi larutan sulfat = 1% Volume buffer = 50 ml Suhu pretreatment = 140 0 C Waktu pretreatment = 40 menit Waktu preinkubasi = 10 menit
Tabel 2. Data Batas Atas Dan Batas Bawah Experimental Design
Variable Batas bawah (-) Batas Atas (+) Rasio enzim substrat Rasio kulit kopi-air Waktu reaksi pH reaksi 1:1.75 2% 3 hari 4 1:1 5% 7 hari 5

## Prosedur Percobaan

## Proses pretreatment
Kulit  kopi  dihancurkan  dan  digiling  kemudian  direndam  dalam  larutan  asam  sulfat 1%  selama  satu  malam  dengan  konsentrasi  5%  berat.  Slurry  hasil  perendaman  kemudian dimasukkan  kedalam  fluidised  sand  bath  reaktor  dan  dipanaskan  hingga  140 0 C  selama  40 menit.

## Proses Hidrolisa
Slurry  hasil  pretreatment  dihidrolisa  dengan  rasio  enzim-substrat,  dan  konsentrasi padatan sesuai variabel dalam 50 ml larutan buffer acetate. Larutan di preinkubasi pada suhu 50 0 C  didalam air  menggunakan  orbital  shaker  bath    pada  150  rpm  selama  10  menit.  Enzim ditambahkan  untuk  memulai  reaksi  hidrolisis  segera  setelah  proses  aklimatisasi.  Sampel diambil untuk dianalisa kadar glukosanya setiap 6 jam sekali.

## Rancangan Riset
Riset  yang  akan  dilakukan  merupakan  riset  dengan  rancangan  eksperimen  murni. Percobaan direncanakan dengan menggunakan faktorial design dengan ulangan 2 kali. Data yang  diperoleh  dianalisis  dengan  analisis  varian  menggunakan  normal  probability  plot  atau menggunakan program Matlab ® .
Experimental Design
Analisa  data  pada  penelitian  ini  menggunakan  sistem  eksperimental  design  yang berarti  sekumpulan  percobaan  (tempuhan)  yang  dirancang  untuk  memperoleh  data-data konkret untuk membuktikan suatu hipotesa. Pada eksperimental design setiap variabel yang diuji  ditentukan  pada  beberapa  harga,  biasanya  dua  harga  untuk  variabel  bebas.  Penentuan variabel  yang  berpengaruh  dapat  menggunakan  normal  probability  plot,  setelah  dilakukan perhitungan main efek dan perhitungan interaksi atau menggunakan program statistik Matlab ® .

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Optimasi Variabel Proses Rasio Enzim-Substrat
Optimasi kondisi proses dilakukan pada berbagai variabel proses rasio enzim-substrat dengan mengkondisikan pada pH 4. Kadar glukosa yang diperoleh dalam delapan perlakuan dapat  dilihat  pada  Gambar  1.  Hasil  percobaan  menunjukkan  bahwa  semakin  besar  rasio enzim-substrat,  semakin  meningkat  kadar  glukosanya.  Hal  ini  terjadi  karena  semakin  besar rasio  enzim-substrat  menyebabkan  tumbukan  antar  molekul-molekul  reaktan  dengan  enzim meningkat, sehingga penyusupan molekul enzim ke dalam substrat lebih sering terjadi. Akan tetapi,  peningkatan  rasio  enzim-substrat  di  atas  1:1,4,  glukosa  yang  diperoleh  relatif mendekati  konstan.  Hal  ini  terjadi,  karena  penurunan  energi  aktivasi  reaksi  hidrolisa  relatif kecil.  Kondisi  optimum  dicapai  pada  rasio  enzim-substrat  1:1,4  dengan  perolehan  glukosa sebesar 18,001% dan model regresinya adalah: 061 , 14 1683 , 1 0837 , 0 2 + + − = x x y .
Gambar 1. Grafik Hubungan antara Rasio Enzim-Substrat terhadap Kadar Glukosa

## KESIMPULAN
Telah  dikembangkan  alat Vibrous  Bed  Bioreaktor yang  digunakan  untuk  proses integrasi sakarifikasi selulosa dan fermentasi gula reduksi. Percobaan pendahuluan dilakukan dengan  proses  pretreatment  yang  bertujuan  memecah  ikatan  lignin.  Penambahan  protein berupa  bovin  serum  albumin  dapat  meningkatkan  perolehan  gula  reduksi.  Variabel  proses yang  berpengaruh  terhadap  reaksi  hidrolisa  kulit  kopi  secara  enzimatis  adalah  pH  dan  rasio enzim-substrat.  Kondisi  optimum  dicapai  pada  rasio enzim-substrat  1:1,4  dengan  perolehan glukosa sebesar 18,001% dan model regresinya adalah: 061 , 14 1683 , 1 0837 , 0 2 + + − = x x y . y = -83.69x 2 + 1168.3x + 14061 R 2 = 0.9836 13,500 14,000 14,500 15,000 15,500 16,000 16,500 17,000 17,500 18,000 18,500 1,00 0,91 0,83
0,77 0,71 0,67 0,63 0,59 Rasio enzim -substrat K a d a r g lu k o s a ( % )

## UCAPAN TERIMA KASIH
Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan syukur Alhamdulillah kepada Allah SWT serta  terima  kasih  yang  sebesar-besarnya  kepada  UNDIP  atas  dukungan  dana  Pelaksanaan Penelitian Hibah Bersaing BOPTN Tahun 2014.

## DAFTAR PUSTAKA
Antongiovanni,M.,1983,” Variability in Chemical Composition of Straw” CIHEAM, Options Mediterraneennes.
Arifan, F., Yulianto, M.E., dan Murni, 2006,”Studi Awal Pembuatan Biodisel dalam Vibrous Bed Bioreaktor dari Minyak Jarak Pagar”, Laporan Penelitian UNDIP.
Arifan, F., Yulianto, M.E., dan Murni, 2006,”Studi Awal Pembuatan Biodisel dalam Vibrous Bed Bioreaktor dari Minyak Jarak Pagar”, Laporan Penelitian UNDIP.
Arifan,  F.,  Yulianto,  M.E.,  dan  Murni,  2006,”Studi  Awal  Pembuatan  Bioetanol  dalam
Vibrous Bed Bioreaktor dari Bonggol Jagung”, Laporan Penelitian UNDIP.
Arifan, F., Yulianto, M.E., dan Murni, 2007,”Studi Awal Pembuatan Biodisel dalam Vibrous Bed Bioreaktor dari Biomassa Jerami Padi”, Laporan Penelitian UNDIP.
Berita  Resmi  Statistik,2006,”  Produksi  Jagung,  Padi  dan  Kedelai”,  Berita  Resmi  Statistik Volome 35/IX.
Bin yang, Wyman. E, 2005, ” BSA Treatment to Enhance Enzymatic Hydrolisis of Cellulose in  Lignin  Containing  Substrat” Biotechnology  and  Bioengineering  Journal Vol  94 No 4 jully  Willey Interscience.
DOE,  2006,”  A  Reswearch  Roadmap  to  Resulting  from  Biomass  To  Biofuels  Workshop” Office of Science, Marryland.
Glasneer David, 1999, ” Corn Stover Potential” ASHS Press, Alexandria ,VA.
Hayn,M., Steiner W.,1993 ,” Basic Research and Pilot Studies on the Enzymatic Conversion of    Lignocellulosic”,  Bioconversion  of  Forest  and  Agricultural  Plant  Residues, Wallington, UK.
IEA Energy Technology Essential, 2007,” Biofuel Production”, www.iea.org.
Kelly,C., 2007,” Enzymes in Hydrolysis and Pretreatment” OSU College of Engineering. Ladish, M.R, Zeng M, 2005,” Microscopic Examination of Changes of Plant Cell Structure in Lignocellulosic Material Due to Hot Water Treatment and Enzymatic Hydrolisis”.
Media  Pertanian;  2003,  “  Pengembangan  Padi  Hibrida  Terbuka  Lebar”,  Situs  Hijau  Media Pertanian Online.
Okunowo,  Oluwanisula,  2007,”  Quantitation  of  Alcohol  in  Wine”African  Journal  of Biochemistry.
Palonen,H.,Tjerneld,F.,  2004, Adsorbtion  Of  Purified  Trichordema  Reseei  Cellulases  And Their  Catalytic  Domain  To  Steam  Pretreatment  Softwood  And  Isolated  Lignin ,  J Biotechnology 107.
Prasetyaningsih, E., 2007, “Industri Alkohol” E-Kuliah, Knowledge Collaborative Sharing.
Ramakrisna,  2007,”  Technological  Challenges  in  Bioethanol  Production”  Praj  Industries Limited.
Watanabe,  Y,  Y.  Shimada,  A.  Sugihara,  H.  Noda,  H.  Fukuda  dan  Y  Tominaga,  2000.
Continuoes  Production  of  Biodiesel  Fuel  from  Vegetable  Oil  Using  Immobilized Candida antartica Lipase. JAOCS 77 (3): 355 – 360.
Watanabe,  Y,  Y.  Shimada,  A.  Sugihara  dan  Y  Tominaga,  2001, Enzymatic  Conversion  of Waste Edible  Oil  to Biodiesel Fuel in  a Fixed-Bed Bioreactor ,  JAOCS  78  (7):  701– 707.
Wingren  A,  Galbe  M.,  2003,  Techno  Evaluation  of  Producing  Etanol  From  Softwood, Biotechnol Journal.
Wyman  CE,  2002,  “Potential  Synergies  and  Challenges  in  Refining  Cellulosic  Biomass  to
Fuels” Biotechnol Progress.
Yulianto,  M.E.,  Arifan,  F.,  Paramita,  V.,  2005, Produksi  Biodisel  Dari  Minyak  Kelapa Secara Enzimatis , Laporan Penelitian P&K Jateng.
Zanin,G.M., 2005, “Determination of Inhibition in the Enzymatic Hydrolysis of Cellobiose
Using Hybrid Neural Modelling” Brazillian Journal of Chemical Engineering V
____________________________
PENULIS:
1) MURNI
Jurusan Teknik Mesin Program Diploma, Fakultas Teknik, UNDIP Jl. Prof Sudarto SH, Pedalangan Tembalang, Semarang 50239
2) FAHMI ARIFAN
Jurusan Teknik Kimia Program Diploma, Fakultas Teknik, UNDIP Jl. Prof Sudarto SH, Pedalangan Tembalang, Semarang 50239 Email: fahmiarifan@gmail.com
3) ZAINAL ABIDIN
Jurusan Teknik Kimia Program Diploma, Fakultas Teknik, UNDIP Jl. Prof Sudarto SH, Pedalangan Tembalang, Semarang 50239