BAB II

Tinjauan Pustaka

2.1 Ubi Kayu (Singkong)

Ubi kayu atau dalam bahasa latin Manihot Esculenta, Crantz. merupakan

tanaman yang berasal dari Amerika Latin tepatnya Brazil dan diperkirakan masuk

ke wilayah Indonesia pada tahun 1852. (Ceballos dkk. 2010 dalam Wahyu

Nirwanto 2012). Ubi kayu merupakan jenis umbi-umbian yang dimanfaatkan

umbinya sebagai bahan makanan karena memiliki kandungan karbohidrat yang

tinggi.

Dalam sistematika tumbuhan, ubi kayu termasuk ke dalam kelas Dicotyledoneae.

Ubi kayu berada dalam family Euphorbiaceae yang mempunyai 7.200 spesies,

beberapa diantaranya adalah tanaman yang memiliki nilai komersial seperti karet

(Hevea Brasiliensis), jarak (Ricinus comunis dan Jathropha Curcas), umbi-

umbian (Manihot spp), dan tanaman hias (Euphorbia spp). Klasifikasi tanaman

ubi kayu adalah sebagai berikut :

Kelas : Dicotyledoneae

Sub Kelas : Archichlamydeae

Ordo : Euphorbiale

Famili : Euphorbiaceae

Sub Famili : Manihotae

Genus : Manihot

Spesies : Manihot Esculenta Crantz

Tanaman ubi kayu dapat tumbuh didaerah antara 30LU dan 30LS dan pada

ketinggian dari 0 hingga 1800 mdpl. Ubi kayu dapat hidup di lahan marginal,

toleran terhadap kekeringan, resisten terhadap hama dan penyakit. Ubi kayu tidak

dapat hidup pada daerah iklim sedang dan hanya tumbuh pada daerah tropis dan

subtropis.

Genus manihot memiliki total 100 spesies yang telah di klasifikasikan tetapi

hanya spesies Manihot Esculenta Crantz yang dikultivasi secara komersial. Secara

konvensional ubi kayu diperbanyak menggunakan biji atau stek batang. Menurut

Alves 2002; Ceballos dkk 2010 merupakan cara yang paling umum digunakan

termasuk di Indonesia.

Ubi kayu dapat tumbuh hingga mencapai tinggi 1-4 meter dengan periode

penanaman dan pemanenan 6-12 bulan untuk genotip unggul dan lebih dari 12

bulan untuk genotip tidak unggul. Bagian dari tanaman ini berupa akar, batang,

daun dan bunga.

Akar ubi kayu merupakan bagian yang berfungsi sebagai organ penyimpanan

utama ubi kayu. Secara anatomis akar ubi kayu bukan merupakan umbi, tetapi

akar sejati yang tidak dapat digunakan untuk perbanyakan vegetatif. Akar

penyimpanan pada ubi kayu memiliki tiga jaringan berbeda yaitu periderm,

korteks dan parenkim. Ukuran dan bentuk akar tergantung kondisi genotip dan

lingkungan.

Batang ubi kayu memiliki panjang 1-4 meter dengan bentuk silindris dengan

diameter berkisar 2 sampai 6 cm. Batang ini dibentuk oleh nodus dan internodus.

Panjangnya nodus dan internodus bervariasi bergantung pada genotipe, umur

tanaman dan faktor lingkungan. Warna batang bervariasi mulai putih keabu-abuan

sampai coklat atau coklat tua.

Daun ubi kayu termasuk daun tidak lengkap (incompletes) karena hanya terdiri

atas lamina dan tangkai daun. Daunnya memiliki pertulangan daun menjari dan

terdiri atas 3-9 lobus dan memiliki filotaksis 2/5. Daun yang letaknya dekat

dengan perbungaan biasanya berukuran lebih kecil dan hanya terdiri atas tiga

lobus (Alves 2002 dalam Nirwanto 2012). Permukaan atas daun dilapisi kutikula

yang mengkilap. Stomata terdapat pada bagian bawah (abaksial) daun dan

memiliki bentuk parasitic. Tiap daun yang telah dewasa dikelilingi dua stipula

dengan panjang kira-kira 0.5-1.0 cm. panjang petioles daun biasanya bervariasi

antara 5-30cm.

Ubi kayu memiliki bunga jantan dan betina yang terdapat pada satu pohon

(monocious). Bunga ubi kayu tidak memiliki struktur calyx atau corolla tetapi ada

struktur yang disebut perianth atau perigonium. Ukuran bunga jantan setengah

dari ukuran bunga betina. Pedicelus bunga jantan tipis, lurus dan pendek,

sedangkan pedicelus bunga betina tebal, melengkung dan panjang. Bunga ubi

kayu mengalami protogini dimana bunga betina pada perbungaan yang sama

dengan bunga jantan membuka 1-2 minggu lebih cepat (Alves 2002 dalam

Nirwanto 2012).

Seluruh bagian dari tanaman ubi kayu sebenarnya dapat dimanfaatkan. Akan

tetapi sebagian besar yang termanfaatkan hanya umbinya saja. Umbi ubi kayu

dapat diolah menjadi dekstrin pada industry tekstil, asam sitrat, monosodium

glutamate, glukosa kristal, makanan ternak, dan tepung tapioka. Sedangkan bagian

batangnya dimanfaatkan sebagai bibit stek yang akan di tanam kembali. Batang

yang dijadikan bibit ini hanya 10% nya saja sedangkan 90% sisanya menjadi

limbah. Limbah dari tanaman ubi kayu merupakan biomassa sumber lignoselulosa

yang dapat dimanfaatkan sebagai biofuel. Komposisi utama batang ubi kayu

tertera pada table 1.

Tabel 1. Komposisi utama batang ubi kayu (Manihot Utillisima)

Sumber : Widodo. Dkk., 2013

2.2 Lignoselulosa

Bahan lignoselulosa merupakan bahan yang terdiri dari tiga komponen penyusun

utama yaitu lignin, selulosa dan hemiselulosa. Ketiga komponen tersebut

membentuk suatu ikatan kompleks yang menjadi bahan dasar penyusun dinding

sel tumbuhan. Besarnya komposisi bahan penyusun tersebut bergantung pada

jenis biomassa, umur, kondisi lingkungan tempat biomassa tersebut tumbuh dan

berkembang.

Selulosa (C6H10O5)n merupakan merupakan penyusun dinding sel tanaman yang

hampir tidak dapat ditemui dalam keadaan murni tetapi selalu berikatan dengan

lignin dan hemi selulosa membentuk lignoselulosa. Selulosa merupakan polimer

glukosa β-1,4 glukosida dalam rantai lurus. Selulosa terdiri dari 15-14.000 unit

molekul glukosa. Selulosa terdiri dari daerah kristalin dan amorf yang membentuk

suatu struktur dengan kekuatan tegangan tinggi yang pada umumnya tahan

terhadap hidrolisis enzimatik terutama pada daerah kristalin. Ikatan β-1,4

glukosida pada serat selulosa dapat dipecah menjadi glukosa dengan cara

hidrolisis asam atau hidrolisis enzimatik.

Lignin merupakan polimer aromatic alami yang bercabang dan mempunyai unsure

tiga dimensi yang terbuat dari fenil propanoid yang saling terhubung dengan

ikatan yang bervariasi. Lignin merupakan zat keras, lengket, kaku dan mudah

teroksidasi. Lignin membentuk matriks yang mengelilingi selulosa dan

hemiselulosa penyedia kekuatan pohon dan pelindung dari biodegradasi. Lignin

sangat resisten terhadap degradasi baik secara biologis, kimia maupun enzimatik.

Hemiselulosa merupakan polimer yang tersusun dari bermacam-macam jenis gula.

Monomer gula penyusun hemiselulosa terdiri dari monomer gula berkarbon 5 (C-

5) dan 6 (C-6), misalnya: xylosa, mannose, glukosa, galaktosa, arabinosa, dan

sejumlah kecil ramnosa, asam glukoroat, asam metal glukoronat, dan asam

galaturonat. Struktur hemiselulosa dibagi menjadi empat kelompok berdasarkan

komposisi dari rantai utamanya yaitu : D-xylan (1-4βxilosa), D-manan ((1–4)β -

D-mannosa), D-xiloglukan dan D-galaktan (1-3β -D-galaktosa). Hemiselulosa

lebih mudah dihidrolisis daripada selulosa, tetapi gula C-5 lebih sulit difermentasi

menjadi etanol daripada gula C-6.

2.3 Pretreatment Lignoselulosa

Komponen selulosa dan hemiselulosa dilindungi oleh lignin yang kuat sehingga

proses hidrolisis gula dari lignoselulosa akan terhalangi. Pretreatment

lignoselulosa dimaksudkan untuk meningkatkan kemampuan area permukaan

(porositas) selulosa sehingga meningkatkan konversi selulosa menjadi glukosa.

Proses pretreatment ini akan memecah lignin sehingga hidrolisis gula dapat

berlangsung lebih baik. Tujuan pretreatment secara skematis ditunjukan oleh

gambar 1.

Gambar 1. Skematis tujuan pretreatment.

Selain untuk memecah lignin, pretreatment diperlukan untuk menghilangkan

lignin dan hemiselulosa, menurunkan kekristalan selulosa sehingga meningkatkan

fraksi amorph selulosa dan juga dapat meningkatkan kemampuan pembentukan

gula selama proses hidrolisis, menghalangi terbentuknya inhibitor pada proses

hidrolisis dan fermentasi, menghalangi kehilangan karbohidrat dan biaya yang

efektif.

Beberapa teknologi pretreatment yang telah banyak digunakan dan dikembangkan

antara lain (1) secara fisika (mekanik dan pirolisis) (2) fisika kimia (steam

explosion, liquid hot water, CO2 explosion, dan ammonia fiber explosion/AFEX)

(3) kimia (alkali, larutan asam, pelarut organic) (4) biologi (jamur).

Perkembangan teknologi pretreatment dewasa ini mengarah pada teknologi yang

efektif, hemat energi dan hemat biaya. Salah satu teknologi yang ditawarkan

adalah perendaman dalam larutan amoniak pada temperatur ruang (SAA/soaking

in aqueous ammonia). Reagen ini efektif untuk menghilangkan lignin dari

biomassa dengan reaksi utama menghidrolisis ikatan eter. Penggunaan reagen ini

menawarkan beberapa keuntungan: (1) mempunyai selektifitas yang tinggi

terhadap lignin, (2) mempertahankan karbohidrat dalam bentuk aslinya, (3)

memperlihatakan efek pengembungan lignoselulosa yang signifikan, (4) interaksi

yang sangat sedikit dengan hemiselulosa, dan (5) sangat volatile sehingga mudah

dijumput kembali (Soerawidjaja, dkk., 2011).

SAA sangat efektif digunakan untuk bahan dengan kandungan lignin yang rendah,

contohnya limbah pertanian ataupun herbaceous biomass, tetapi tidak untuk bahan

berkayu yang mengandung lignin yang tinggi (Gupta dkk., 2007 dalam

Soerawidjaja, dkk., 2011)

2.1 Hidrolisis Glukosa

Hidrolisis adalah proses peruraian suatu senyawa oleh air. Hidrolisis biomassa

lignoselulosa bertujuan untuk memecah polimer selulosa menjadi monomer-

monomer glukosa, sedangkan hemiselulosa akan terpecah menjadi pentose dan

heksosa. Ada dua cara yang digunakan untuk hidrolisa selulosa yaitu dalam

suasana asam dan secara enzimatis. (Harianja, dkk., 2015).

Pada metode hidrolisis asam, biomassa lignoselulosa dihidrolisa dengan asam

tertentu pada suhu dan tekanan tertentu selama waktu tertentu dan menghasilan

monomer guka dari polimer selulosa dan hemiselulosa (Usmana. Dkk., 2012).

Beberapa asam yang umum digunakan untuk hidrolisis asam antara lain adalah

asam sulfat (H2SO4), asam perklorat (HClO4) dan asam klorida (HCl). Hidrolisis

asam dikelompokkan menjadi dua yaitu hidrolisis konsentrasi tinggi dan

konsentrasi rendah.

Keuntungan hidrolisis menggunakan konsentrasi tinggi adalah proses hidrolilis

dapat dilakukan pada suhu yang rendah. Kerugiannya adalah jumlah asam yang

digunakan sangat banyak, potensi korosi pada peralatan produksi, penggunaan

energy yang tinggi untuk proses daur ulang asam dan terbentuk prosudk samping

yang tidak diharapkan. Keuntungan hidrolisis menggunakan asam konsentrasi

rendah adalah Hidrolisis menggunakan asam dengan konsentrasi rendah

mempunyai keuntungan yaitu jumlah asam yang digunakan sedikit. Namun

kerugian dalam penggunaan asam dengan konsentrasi rendah antara lain

membutuhkan suhu tinggi dalam proses operasinya, potensi korosi pada peralatan

produksi terutama alat yang terbuat dari besi dan pembentukan produk samping

yang tidak diharapkan.

Proses hidrolisis biomassa lignoselulosa dengan menggunakan katalis asam paling

banyak diteliti dan dimanfaatkan adalah asam sulfat (H2SO4).