Produksi Gula Pereduksi Melalui Rekayasa Proses Pra-perlakuan Bambu Betung (Dendrocalamus asper (Schult.f))

Abstract

Lignin dan struktur kristalin selulosa merupakan faktor pembatas utama pada proses konversi bahan berlignoselulosa menjadi gula pereduksi. Dalam rangka meningkatkan aksesibilitas enzim maka perlu dilakukan modifikasi struktur lignoselulosa dengan proses pra-perlakuan. Pra-perlakuan ramah lingkungan yang menarik dikembangkan diantaranya pra-perlakuan biologis dan gelombang mikro dalam medium air. Penggunaan pra-perlakuan tunggal (biologis atau gelombang mikro) pada bambu betung dengan hidrolisis asam-gelombang mikro untuk memperbaiki rendemen gula hidrolisis enzimatis belum pernah dilaporkan sebelumnya. Selain itu, kombinasi pra-perlakuan secara biologis-gelombang mikro merupakan alternatif untuk memperbaiki rendemen gula, sehingga proses hidrolisisnya lebih efisien. Hal ini mengingat lebih optimalnya aktivitas degradasi lignin, pelarutan hemiselulosa, pelunakan substrat dan peningkatan porositasnya. Bambu termasuk dalam kelompok rumput-rumputan yang berpotensi dijadikan alternatif bahan bioenergi. Beberapa hal yang mendasarinya adalah produktivitas biomasanya tinggi, mudah dan cepat diproduksi, ketersediaanya melimpah, tumbuh dengan baik pada unsur hara yang minim dan kandungan holoselulosanya tinggi. Bambu ini tumbuh tersebar terutama di Asia dan bambu di Indonesia menempati tempat ketiga setelah Tiongkok dan India. Bambu betung merupakan salah satu jenis bambu terpenting di Indonesia yang berpotensi dikembangkan. Bambu ini memiliki morfologi dan kandungan komponen kimia cukup baik untuk dikonversi menjadi bioetanol. Pengaruh pra-perlakuan tunggal (biologis atau gelombang mikro) dan kombinasi biologis-gelombang mikro dalam mengubah struktur selulosa dan lignin bambu betung menjadi fokus dalam penelitian ini. Pengaruh perubahan karakteristik bambu setelah pra-perlakuan tersebut kemudian dihubungkan dengan kinerja hidrolisis enzimatis dan asam-gelombang mikro. Perbandingan peningkatan rendemen gula pereduksinya terhadap kontrol dan antar pra-perlakuan tunggal dan kombinasi juga didiskusikan. Selain itu juga dicoba untuk memperbaiki kinerja hidrolisis asam-gelombang mikro dengan penambahan karbon aktif. Penelitian ini terdiri dari enam tahap penelitian yaitu penelitian tahap 1, 2, 3 untuk menganalisis perubahan karakteristik lignin dan selulosa selama pra-perlakuan biologis menggunakan jamur pelapuk putih, T.versicolor (tahap 1), pra-perlakuan gelombang mikro dalam medium air (tahap 2), kombinasi pra-perlakuan secara biologis-gelombang mikro (tahap 3). Berdasarkan penelitian tahap 1 dan 2 diperoleh kondisi pra-perlakuan terpilih dilanjutkan dengan kombinasi pra-perlakuan biologis dan gelombang mikro. Indikator utama penentuan kondisi pra-perlakuan terpilih dari kehilangan berat, kehilangan lignin dan selulosa dan hemiselulosa, selektifitas delignifikasi, perubahan struktur kristal selulosa alomorf, dan indeks kristalinitas bahan. Penelitian pada tahap 4, 5 dan 6 dimaksudkan untuk memperoleh informasi kinerja hidrolisis enzimatis dan asam-gelombang mikro dari kondisi pra-perlakuan biologis dan gelombang mikro terpilih serta kombinasi kedua pra-perlakuan tunggal. Parameter kunci untuk mengevaluasi kinerja hidrolisis pada penelitian tahap ini meliputi rendemen gula pereduksi, nisbah hidrolisis dan senyawa coklatnya. Pengaruh penambahan katalis karbon aktif sebagai adsorber inhibitor selama proses hidrolisis asam-gelombang mikro juga dikaji pada tahap ini. Hasil penelitian menunjukkan bahwa inkubasi selama 30 hari dalam pra-perlakuan biologis terpilih sebagai kondisi terbaik dengan indikator selektifitas delignifikasinya yang tinggi. Kondisi pra-perlakuan gelombang mikro terpilih adalah iradiasi selama 5, 10 dan 12 menit (330 W) serta 5 menit (770 W) dengan mempertimbangkan tingkat kehilangan berat dan kehilangan hemiselulosa. Pra-perlakuan menyebabkan struktur matriks lignoselulosa menjadi lebih terbuka, lunak serta terjadi pemisahan antar serat dan menyebabkan lebih tereksposnya selulosa. Terjadi penurunan intensitas absorbansi gugus fungsional setelah pra-perlakuan meskipun pada umumnya tidak terdapat perubahan gugus fungsi yang teridentifikasi. Hilangnya sebagian lignin setelah pra-perlakuan didukung dengan adanya penurunan intensitas gugus aromatik lignin dengan syringil lebih rendah dibandingkan dengan guaiacyl. Terjadi penurunan intensitas pada pola difraksi sinar X dan pra-perlakuan menyebabkan indeks kristalinitas bahan meningkat terkait dengan hilangnya bagian amorf yaitu lignin dan hemiselulosa dan efek hornifikasi terkait dengan kondisi pengujian sampel. Transformasi struktur kristal selulosa alomorf dari monoklinik menjadi triklinik terjadi pada semua pra-perlakuan. Rendemen gula pereduksi hidrolisis enzimatis pada ketiga jenis pra-perlakuan dibawah 5% per bambu awal, meskipun terjadi peningkatan dibandingkan dengan kontrol. Rendemen ini dapat diperbaiki dengan hidrolisis asam-gelombang mikro. Penggunaan konsentrasi asam 1% direkomendasikan untuk digunakan dalam hidrolisis asam-gelombang mikro pada bambu. Peningkatan rendemen tertinggi terhadap kontrol dihasilkan pada proses hidrolisis gelombang mikro selama 12.5 menit dari hasil kombinasi pra-perlakuan biologis (inokulum 5%) dan gelombang mikro (5 menit, 330 W) yaitu sebesar 8.4 kali (16.65% per bambu awal). Rendemen ini lebih rendah dari rendemen gula pereduksi tertinggi dari pra-perlakuan gelombang mikro selama 12.5 menit (330 W) yaitu sebesar 25.81% per bambu awal dengan peningkatan rendemen terhadap kontrol 6.2 kali. Penambahan karbon aktif dalam hidrolisis asam-gelombang mikro hanya berpengaruh terhadap efek penghambatan pembentukan senyawa inhibitor yaitu senyawa coklat namun rendemen gula pereduksinya menurun.