STUDI FERMENTASI ANAEROB AMPAS TAHU UNTUK PRODUKSI HIDROGEN Pengaruh Perlakuan Asam dan Pencernaan-Bersama

AMIR HUSIN, Dr. Ir. Sarto, MSc.; Ir. Siti Syamsiah, Ph.D.; Ir. Imam Prasetyo, M.Eng., Ph.D.

2015 | Disertasi | S3 ILMU TEKNIK KIMIA

Penipisan cadangan bahan bakar fosil serta polusi lingkungan akibat penggunaannya telah mendorong upaya pengembangan sumber-sumber dan energi alternatif yang bersih dan terbarukan. Gas hidrogen (H2) merupakan salah satu kandidat energi alternatif yang menjanjikan dan dapat diproduksi dari bahan-bahan organik seperti lignoselulosik melalui proses fermentasi. Ampas tahu merupakan limbah organik padat yang dihasilkan oleh industri pengolahan tahu. Limbah ini merupakan bahan baku yang potensial untuk produksi biohidrogen, karena selain ketersediaannya yang melimpah dan terbarukan, ampas tahu dalam basis kering masih mengandung 40-60 persen karbohidrat. Tujuan utama studi ini adalah untuk mempelajari pengaruh perlakuan-awal (hidrolisis asam dua-tahap) dan pengaruh penambahan urea (sebagai supplemen nutrient) terhadap perolehan biohidrogen dari ampas tahu. Untuk mencapai tujuan tersebut, studi ini dibagi dalam tiga tahapan: (1) perlakuan awal ampas tahu menggunakan asam, (2) uji potensi produksi biohidrogen dan (3) pencernaan-bersama hidrolisat ampas tahu dengan urea untuk produksi biohidrogen. Hidrolisis asam dua-tahap menggunakan katalis HCl dipertimbangkan sebagai perlakuan awal untuk meningkatkan kelarutan komponen karbohidrat dalam bahan ampas tahu. Untuk tujuan tersebut, hidrolisis asam encer (0,5 persen berat HCl, kurang lebih 104 derajat Celsius, selama 30 menit) digunakan sebagai tahap pertama dalam hidrolisis ampas tahu. Kemudian pada tahap II, fraksi padat ampas tahu dihidrolisis kembali menggunakan katalis HCl. Konsentrasi asam (5-10 persen berat HCl), temperatur reaksi (40-104 derajat Celsius), rasio padatan/pelarut (0,025-0,1 persen berat/volume) serta waktu reaksi dipertimbangkan sebagai kondisi hidrolisis. Hasil studi menunjukkan, bahwa hidrolisis asam dua-tahap menggunakan katalis HCl dapat meningkatkan kelarutan karbohidrat dari ampas tahu. Dalam hidrolisis ampas tahu menggunakan asam encer (hidrolisis tahap I), diperoleh konsentrasi gula tereduksi (GT) maksimum 8,33 g/L dan yield gula 144 mg/g ampas tahu kering. Kondisi terbaik hidrolisis fraksi padat ampas tahu (hidrolisis tahap II) adalah pada rasio padatan/pelarut 0,10 gTS/mL, 10 persen HCl, 104 derajat Celsius dan 60 menit. Pada kondisi ini konsentrasi dan konversi gula tereduksi maksimum berturut-turut 46,05 g/L dan 359,74 mg/gTS. Aplikasi metode hidrolisis dua-tahap (gabungan tahap I dan II), potensi produksi gula tereduksi total dari ampas tahu adalah 503,73 mg/g ampas tahu atau meningkat 3,5 kali dibanding hidrolisis satu-tahap. Uji potensi produksi biohidrogen dimaksudkan untuk mengetahui kesesuaian hidrolisat ampas tahu sebagai substrat untuk produksi hidrogen secara fermentatif. Percobaan dilakukan secara batch menggunakan kultur campuran pada kondisi mesofilik (35-37 derajat Celsius). Dalam uji ini, hidrolisat ampas tahu dengan perlakuan asam asam encer (hidrolisis tahap I) dan dua-tahap (gabungan hidrolisis tahap I dan tahap II) digunakan sebagai substrat untuk produksi hidrogen. Hasil percobaan menunjukkan, bahwa potensi produksi hidrogen meningkat dari 0,515 menjadi 0,928 mmol/g ampas tahu awal. Pencernaan-bersama hidrolisat SHM (hidrolisat ampas tahu dengan perlakuan asam dua tahap) dengan urea untuk meningkatkan produktivitas biohidrogen melalui pengaturan rasio C/N diinvestsigasi dalam studi ini. Sejumlah hidrolisat SHM dan urea dicampur dengan rasio tertentu sehingga diperoleh substrat campuran dengan rasio C/N berturut-turut: 3,69; 2,67; 2,32; 1,99; 1,72 dan 1,45 mg/mg. Percobaan dilakukan secara batch menggunakan kultur campuran pada kondisi mesofilik (35-37 derajat Celsius). Hasil percobaan menunjukkan, bahwa, penambahan urea ke dalam substrat SHM mempengaruhi yield hidrogen secara positif. Produksi hidrogen maksimum 2,41 mmol H2/g GT terobservasi pada rasio C/N 1,72 mg/mg.

Diminishing of energy from fossil fuels triggers to finding cleaned and renewable energy sources. Hydrogen gas is used as one of potential candidates for renewable energy that can be produced from organic material such as lignosellulosic through fermentation process. Tofu solid waste (TSW) is one of the by products of tofu processing industry. This waste is a very potential feed stock to produce biohydrogen because of its abundant availability and renewable. Tofu solid waste rich of carbohydrates (40 - 60 percent by weight in dry basis). The aim of study were to investigation the effect of pretreatment (two-stage hydrolysis) and to know the influence of urea adding as nutrient supplement on the yield of biohydrogen from TSW. These studies were conducted into three steps: (1) acid pretreatment of TSW, (2) potential biohydrogen test and (3) co-digest hydrolysate of TSW by urea to biohydrogen production. Two-stage acid hydrolysis used HCl as a catalyst for pretreatment to enhance solubility of carbohydrate compounds of TSW. Dilute acid hydrolysis (HCl 0.5 percent by weight, 104 degrees Celsius, 30 minutes) were conducted as pretreatment. The second step of pretreatment were conducted by rehydolysis solid fraction of TSW by using concentrated HCl as a catalyst with variable condition: acid concentration (5, 7.5 and 10 percent by weight HCl), temperature of reaction (40 - 104 degrees Celsius), solid/solvent ratio (0,025 - 0,1 percent w/v) and time of reaction. The result of the study showed that two-stages acid hydrolysis using HCl catalyst enhanced carbohydrates solubility of TSW. Maximum reducing sugar (8.34 g/L) and yield sugar (144 mg/g TSW) were obtained by using hydrolysis TSW methods (dilute acid hydrolysis). However, the best conditions of fraction solid of TSW (second stages) were solid/solvent ratio 0.10 g TS/mL; 10 percent by weight HCl; 104 degrees Celsius and 60 minutes. By using these conditions, the maximum concentration and the yield of reducing sugar were 46.05 g/L and 359.74 mg/gTS respectively. Application of two-stage hydrolysis method (combine of stage I and II) potential yield of reducing sugar from TSW were 503.73 mg/g TSW or 3.5 times greater compared to one-stage hydrolysis. The aim of potential biohydrogen production test were to know the suitability of TSW hydrolysate as a substrate to produce hydrogen fermentatively. The research were conducted by using mixed culture under mesophilic (35 -37 degrees Celsius) condition. In this research, TSW hydrolysate were hydrolyzed by dilute acid (stage I hydrolysis) and two-stage (combine of stage I and II). These solutions were used as a substrate to produce hydrogen. The result showed the potential of hydrogen product enhance from 0.515 to 0.928 mmol/g TSW. Co-digest of hydrolysate SHM (hydrolysate TSW by two stages) with urea used to enhanced biohydrogen productivity by arrangement of C/N ratio. Hydrolysate SHM were mixed with urea to get C/N ratio of mixed substrate: 3.69; 2.67; 2.32; 1.99; 1.72 and 1.45 mg/mg. The research were conducted by batch reaction using mixed culture under mesophilic condition (35 -37 degrees Celsius). The result showed that the urea adding into the SHM substrates affect to hydrogen yield positively. From the observation, maximum hydrogen production was 2.41 mmol H2/g reducing sugar on C/N ratio 1.72 mg/mg.

Kata Kunci : produksi hidrogen, ampas tahu, perlakuan asam