KINETIKA HIDROLIS LIGNOSELULOSA DENGAN ASAM SULFAT ENCER DALAM RANGKA PRODUKSI ETANOL

MEGAWATI, Prof. Ir. Wahyudi Budi, S., Ph. D.,

2011 | Disertasi | S3 Teknik Kimia

Lignoselulosa sebagai salah satu sumber polisakarida yang melimpah dapat dikonversi menjadi etanol, sebagai alternatif sumber energi. Produksi etanol dari lignoselulosa umumnya melalui tiga tahapan utama, yaitu hidrolisis selulosa menjadi gula, fermentasi gula menjadi etanol dan pemurnian etanol. Studi ini menyajikan hasil percobaan hidrolisis lignoselulosa dengan asam sulfat encer pada suhu dan tekanan tinggi serta kondisi non-isotermis. Fermentasi juga dilakukan untuk membuktikan apakah gula hidrolisat dapat dikonversi menjadi etanol. Untuk keperluan perhitungan desain dan optimasi proses, model-model kinetika hidrolisis dikembangkan dari yang sederhana sampai yang cukup kompleks (homogen, heterogen, efek degradasi hasil). Campuran bahan baku dan larutan asam sulfat dipanaskan dalam autoclave. Selama proses hidrolisis ini, suhu akan terus naik (non-isotermis), kemudian setelah mencapai suhu tertentu dijaga konstan (suhu akhir). Jenis bahan baku yang dipakai yaitu sekam padi, tongkol jagung, serbuk gergaji kayu, daun, ranting dan campuran. Konsentrasi asam sulfat dan suhu akhir divariasi. Sampel diambil pada suhu 140 o C dan selanjutnya diambil setiap 5 menit sampai 35 menit. Gula dalam sampel dianalisis dengan metode Fehling. Sejumlah hidrolisat dinetralisasi dan detoksifikasi sebelum difementasi dengan Saccharomyces cerevisiae. Etanol hasil fermentasi dianalisis dengan Gas Chromatography. Kadar lignin mempengaruhi kemudahan bahan baku dihidrolisis untuk menghasilkan gula. Yield gula terbesar didapatkan dari sekam padi sebesar 26,2%. Konsentrasi gula pada hidrolisat yang tinggi tidak menjamin tingginya yield etanol. Gula dengan berbagai jenis dan senyawa-senyawa hasil degradasi gula ikut mempengaruhi yield etanol. Adapun yield etanol tertinggi diperoleh dari sekam padi, sebesar 83%. Pada konsentrasi katalisator kecil (0,18 mol/L), model 1 (homogen tanpa degradasi gula) hanya sesuai untuk hidrolisis di bawah suhu 180 o C. Sedangkan di atas suhu 180 o C, model 2 (homogen ada degradasi gula) lebih sesuai. Sementara itu, pada konsentrasi katalisator tinggi (0,37-0,55 mol/L), model heterogen memiliki kecenderungan lebih sesuai dari pada homogen. Model 4 (heterogen ada degradasi gula) lebih sesuai dari pada model 3 (heterogen tanpa degradasi gula). Secara umum, model-model yang diajukan dapat mendiskripsikan secara kuantitatif proses hidrolisis dengan tingkat kesesuaian yang berbeda-beda. Selain itu diperoleh pula nilai parameter-parameter pada model dengan metode curvefitting terhadap data percobaan. Evaluasi ekonomi secara sederhana menyimpulkan bahwa biaya produksi etanol berkisar Rp 25.100/L. Nilai ini lebih besar dari harga jula etanol sekarang. Oleh karena itu, usaha pemanfaatan biomassa ini menjadi etanol perlu ditingkatkan supaya bisa lebih efisien dan murah.

Lignocellulose, as an abundant polysaccharide source, can be converted into ethanol, an alternative energy source. Major steps in producing ethanol from lignocellulosic substance are hydrolysis to produce sugars, fermentation of sugars to produce ethanol, and ethanol purification. This study reports the experimental results of dilute sulfuric acid hydrolysis of lignocellulosic materials at high temperatures and pressures as well as non-isothermal condition. Fermentation was conducted to verify whether the sugars formed could be converted into ethanol or not. The hydrolysis kinetic models are important for designing and optimizing processes. Therefore, this study will develop the kinetics, simple to complex models (homogeneous, heterogeneous, sugar degradation effect). The mixture of raw material and sulfuric acid solution was heated in an autoclave. During the reaction, the temperature was increasing (non-isothermal) and then was kept constant after reaching a certain value (final temperature). The raw materials selected are rice husk, twig, corn cob, leaf, sawdust, and mixture of them. The catalyst concentrations and final temperatures were varied. The samples were taken at temperature of 140 o C and every 5 minutes until 35 minutes. The sugar concentration in the samples was analyzed by Fehling method. Some of hydrolyzates were then fermented using Saccharomyces cerevisiae after being neutralized and detoxified. The concentration of ethanol produced was analyzed by Gas Chromatography. From the experimental results, it is observed that the lignin content of the raw material influences the sugar yield of the hydrolysis. The highest sugar yield was obtained from rice husk (26.2%). It seems that the high sugar concentration of hydrolyzates does not guarantee a high ethanol yield. The various sugar types and the chemical substance of the sugar degradation affect the ethanol yield from sugars. The raw material producing the highest ethanol yield is rice husk (83%). It is found that at low catalyst concentration (0.18 mole/L), the model 1 (homogeneous without sugar degradation) works well only at temperature below of 180 o C, while above of 180 °C the model 2 (homogeneous with sugar degradation) works well. Meanwhile, at high catalyst concentrations (0.37 to 0.55 mole/L), the heterogeneous model is better to describe the kinetics of hydrolysis than the homogeneous one. The model 4 (heterogeneous with sugar degradation) works better than the model 3 (heterogeneous without sugar degradation). Generally, all models proposed can quantitatively describe the hydrolysis kinetics with different level of accuracy. In addition, the models parameters were obtained using curve-fitting to the experimental data. The simple economic evaluation shows that the ethanol production cost is about Rp 25 100/L. This value is higher than today’s market price of ethanol. Therefore, the technologies for utilization of lignocellulosic materials into ethanol need to be intensively developed to obtain the more efficient and cheaper production.

Kata Kunci : etanol; hidrolisis; model heterogen; model homogen; lignoselulosa