Setelah pretreatment, biomassa lignoselulosa biasanya dilakukan hidrolisis menggunakan asam maupun secara enzimatik untuk mengeluarkan gula yang dapat difermentasi. Ultrasonik dapat digunakan pada kedua cara hidrolisis tersebut yaitu hidrolisis menggunakan asam encer dan hidrolisis enzimatik sakarifikasi untuk meningkatkan gula yang dihasilkan. Waktu proses dapat diperpendek menggunakan teknik sonikasi.

HIDROLISI ASAM

Hidrolisis asam bergantung pada katalis asam anorganik untuk menghidrolisis ikatan eter [94]. Asam sulfat encer pada umumnya digunakan karena sifatnya yang tidak korosif dibandingkan dengan asam klorida. Hidrolisis asam encer biasanya memerlukan suhu proses diatas 100 °C [95]. Ultrasonik yang ditambahkan untuk hidrolisis asam encer pada bagas tebu telah dilakukan dan dilaporkan [40]. Proses tersebut sangat sensitif pada proses umpan biomassanya, konsentrasi asasm dan durasi pemaparan ultrasoniknya. Kondisi proses yang optimal yaitu larutan-padatan memiliki rasio 20:1, 2%(g/100mL) konsentrasi asam dan durasi sonikasi 45 menit [40]. Di dalam lab, ultrasonik pada suhu 80 °C menggunakan konsentrasi asam sulfat 10% menghasilkan rendemen mendekati 32g gula per 100 g jerami padi selama 50 menit.

HIDROLISIS ENZIMATIK

Berbeda dengan proses pretreatment secara kimiawi yang membutuhkan pemaparan ultrasonik yang sangat intens, sonikasi dengan pemaparan yang tidak intens diperlukan dalam pretreatment enzimatik dan proses sakarifikasi selulosa [13]. Selulosa merupakan material utama yang digunakan enzim untuk hidrolisis pada pretreatment biomassa. Bubur biomassa membutuhkan pencampuran dan enzim harus diserap secara kontinyu oleh pemukaan biomassa untuk hidrolisis yang lebih cepat[98, 99].

Struktur enzim, sebagian ukurannya terkena dampak dari sonikasi. Sonikasi juga mempengaruhi aktifitas enzim secara positif, namun sonikasi juga membahayakan enzim khususnya jika suhu tidak terkontrol. Radikal bebas yang muncul dari sonikasi dan gaya gunting yang tinggi dengan aliran mikro juga bisa berdampak pada kestabilan enzim.

Sonikasi telah memperlihatkan peningkatan pada proses enzimatik yang luas [13. 101-103] dan dapat digunakan untuk memperkaya rendemen bioethanol dari biomassa lignoselulosa. Enzim berkontribusi signifikan dalam hal biaya produksi etanol dari lignoselulosa sehingga enzim juga harus digunakan secara efektif [104, 105]. Penggunaan sonikasi dapat mengurangi biaya proses dengan penguarangan jumlah selulosa yang dibutuhkan. Pada satu kasus, selulosa yang dibutuhkan menjadi berkurang hingga 50% [106]. Sonikasi memfasilitasi kerja enzim yang utama dengan meningkatkan difusi enzim kedalam biomassa [107]. Sonikasi pada umumnya meningkatkan transfer massa dan pencampuran. Sonikasi memfasilitasi juga pengikatan enzim pada substrat biomassa [37]. Dan membantu mengeluarkan produk proses hidrolisis dari sisi aktifnya setelah reaksi berakhir [107]. Sonikasi frekuensi rendah (<50 kHz) lebih baik digunakan pada hidrolisis enzimatik [108]. Sonikasi dengan intensitas rendah mempercepat hidrolisis enzimatik bonggol jagung dan bagas tebu [109].

Dalam studi hidrolisi enzimatik bagas tebu,secara terpisah tumbuh sel Cellulomonas flavigena yang ditambahkan sebelum sonikasi dilakukan. Sel yang mengganggu sonikasi mengeluarkan enzim hidrolitik kedalam medium. Enzim tersebut meningkatkan rendemen gula namun dapat menjadi tidak aktif oleh sonikasi yang terlalu lama [90]. Bagas tebu disuspensikan ke dalam sistem pelarut N-methylmorpholine-N-Oxide dan air terhidrolisis secara enzimatik dibantu proses sonikasi [50]. Hidrolisis enzimatik pada suhu 50 °C dapat mengefektifkan depolimerisasi selulosa hingga tingkat konversi 90% menjadi glukosa selama 12 jam. Pada pelarut yang sama, sonikasi pada suhu 90 °C tanpa enzim menghasilkan tingkat konversi <40% selama 24 jam [50].

Sonikasi yang kontinyu diklaim meningkatkan hidrolisis enzimatik lebih daripada sonikasi berselang, diduga karena sonikasi memfasilitasi pengikatan dan pelepasan ikatan antara enzimdan substrat [110, 111]. Proses sonikasi yang simultan dan hidrolisis pada biomassa lignoselulosa, lignin yang terlepas dapat menggangu enzim selulase [111]. Pada hidrolisis enzimatik biomassa rerumputan, sonikasi dilaporkan dapat memperkaya rendemen gula dan rata-rata kecepatan hidrolisis dibandingkan hanya secara enzimatis saja [107]. Penggunaan sonikasi telah dilaporkan untuk memperkaya aktifitas selulase menjadi 70% jika dibandingkan dengan kontrol (tanpa sonikasi) [37].

Sumber

[13] Chisti Y. Sonobioreactors: using ultrasound for enhanced microbial productivity. Trends Biotechnol 2003;21: 89-93.

[37] Zhang Y, Fu E, Liang J. Effect of ultrasonic waves on the saccharification processes of lignocellulose. Chem Eng Technol 2008;31:1510−1515.

[40] Velmurugan R, Muthukumar K. Utilization of sugarcane bagasse for bioethanol production: Sono-assisted acid hydrolysis approach. Bioresour Technol 2011;102:7119−123.

[50] Li Q, Ji G-S, Tang Y-B, Gu X-D, Fei J-J, Jiang H-Q. Ultrasound-assisted compatible in situ hydrolysis of sugarcane bagasse in cellulase-aqueous–N-methylmorpholine-N-oxide system for improved saccharification. Bioresour Technol 2012;107:251−257.

[90] Velmurugan R, Muthukumar K. Sono-assisted enzymatic saccharification of sugarcane bagasse for bioethanol production. Biochem Eng J 2012a;63:1−9.

[94] Aguilar R, Ramírez JA, Garrote G, Vázquez M. Kinetic study of acid hydrolysis of sugarcane bagasse. J Food Eng 2002;55:309−318.

[95] Sun Y, Cheng J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresour Technol 2002;83:1−11.  

[98] Howell JA, Mangat M. Enzyme deactivation during cellulose hydrolysis. Biotechnol Bioeng 1978;20:847−863.

[99] Beldman G, Voragen G, Rombouts FM, Searle-van Leeuwen MF, Pilnik W. Adsorption and kinetic behavior of purified endoglucanase and exoglucanase from Trichoderma viride. Biotechnol Bioeng 1987;30:251−257.

[101] Vulfson EN, Sarney DB, Law BA. Enhancement of subtilisin-catalysed interesterification in organic solvents by ultrasound irradiation. Enzyme Microb Technol 1991;13:123−126.

[102] Sinisterra JV. Application of ultrasound to biotechnology: an overview. Ultrasonics 1992;30:180−185.

[103] Gumel AM, Annuar MSM, Chisti Y, Heidelberg T, Ultrasound assisted lipase catalyzed synthesis of poly-6- hydroxyhexanoate. Ultrason Sonochem 2012;19:659−667.

[104] Kwiatkowska B, Bennett J, Akunna J, Walker GM, Bremner DH. Stimulation of bioprocesses by ultrasound. Biotechnol Adv 2011;29:768−780.

[105] Chandel AK, Chan ES, Rudravaram R, Narasu ML, Rao LV, Ravindra P. Economics and environmental impact of bioethanol production technologies: an appraisal. Biotechnol Mol Biol 2007;2:14−32.

[107] Easson MW, Condon B, Dien BS, Iten L, Slopek R, Yoshioka-Tarver M, Lambert A, Smith J. The application of ultrasound in the enzymatic hydrolysis of switchgrass. Appl Biochem Biotechnol 2011;165:1322−1331.

[110] Nakao K, Fukunaga K, Yasuda Y, Kimura M. Enzymatic hydrolysis of lignocellulosics with continuous irradiation of supersonic wave. Ann NY Acad Sci 1990;613:802−807.

[111] Li CZ, Yoshimoto M, Ogata H, Tsukuda N, Fukunaga K, Nakao K. Effects of ultrasonic intensity and reactor scale on kinetics of enzymatic saccharification of various waste papers in continuously irradiated stirred tanks. Ultrason Sonochem 2005;12:373−384.

Download PDF