TUGAS AKHIR – RK 1583
ETANOL DARI MOLASES OLEH ZYMOMONAS MOBILIS TERMUTASI YANG DIIMMOBILISASI PADA K-KARAGINAN PADA REAKTOR KONTINYU Laili Iksanti NRP 2305100039 Nanik Dwi Jayanti NRP 2305100148 Dosen Pembimbing Dr. Ir. Tontowi Ismail, M.S JURUSAN TEKNIK KIMIA Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009
FINAL PROJECT – RK 1583
ETHANOL FROM MOLASSES USING ZYMOMONAS MOBILIS MUTANT IMMOBILIZED IN K-CARRAGEENAN ON CONTINUOUS REACTOR Laili Iksanti NRP 2305100039 Nanik Dwi Jayanti NRP 2305100148 Advisor Lecturer Dr. Ir. Tontowi Ismail, M.S Chemical Engineering Department Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2009
ETHANOL FROM MOLASSES USING ZYMOMONAS MOBILIS MUTANT IMMOBILIZED in KCARRAGEENAN on CONTINUOUS REACTOR Laili Iksanti (2305100039), Nanik Dwi Jayanti (2305100148) Advisor lecturer : Dr.Ir.Tontowi Ismail, MS. Biochemistry Technology Laboratory Chemical Engineering FTI-ITS department SURABAYA ABSTRACT The production process of ethanol uses molasses as raw material and Z.mobilis mutanted by hydroxylamine as bacteria in mixed flow reactor. The experiment was started by molasses pretreatment, making of starter, culture growth, and making of immobilized cells using κ-carrageenan as a supporting matrices. Immobilization technique is a method to retain cell stay inside the reactor, to get clean effluent stream and to optimize ethanol production. The purpose of this experiment were to study of the influence of glucose concentration and κ-carrageenan density in ethanol production process using mixed flow reactor in order to reach an optimal concentration and ethanol productivity. Immobilized cells was formed 2 mm in diameter of sphere particles in each particle. After 270 grams of immobilized cells has been prepared, then performed continuous fermentation in mixed flow reactor, flowing molasses using peristaltic pump about 180 mL.h-1, dilution rate about 0.18 h-1. The sample was taken through the fermentation process for a current interval time to analyze cell account, total sugar reduction content and ethanol concentration. Determining total sugar reduction content using DNS method, analyzing iii
bioethanol concentration using GC method and determining cell account using counting chamber methods. The result of study shows the ethanol concentration and productivity are optimal at glucose concentration 149,35 g/L and κcarrageenan density 2% , i.e. 47,249 g/L, 8,505 g.l-1.jam1 respectively. Based on the result of study we can conclude that glucose concentration and κ-carrageenan density have an influence on concentration and ethanol productivity.
keywords : Ethanol, molasses, K-carrageenan concentration, mixed flow reactor, Zymomonas mobilis A3, immobilized cell.
iv
ETANOL DARI MOLASES OLEH ZYMOMONAS MOBILIS TERMUTASI YANG DIIMMOBILISASI PADA K-KARAGINAN PADA REAKTOR KONTINYU Laili Iksanti (2305100039), Nanik Dwi Jayanti (2305100148) Pembimbing : Dr.Ir.Tontowi Ismail, MS. Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS SURABAYA ABSTRAK Pada proses produksi etanol ini menggunakan bahan baku molases dan mikroorganisme Zymomonas mobilis A3 yang termutasi oleh hydroxylamine, dengan proses fermentasi dalam mixed flow reactor. Percobaan dimulai dengan pretreatment molases, pengembangan kultur, pembuatan starter, serta pembuatan immobilisasi sel K-karaginan. Teknik immobilisasi merupakan teknik untuk menjebak sel supaya sel tetap berada dalam reaktor kontinyu sehingga mampu memproduksi etanol dengan optimal. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh konsentrasi glukosa dan kerapatan κ-Karaginan dalam immobilisasi sel terhadap kinerja produksi etanol pada Mixed Flow Reactor guna mendapatkan kadar dan produktivitas etanol yang maksimal. Immobilisasi sel K-karaginan berbentuk bead dengan ukuran diameter 2 mm, berat yang digunakan 270 g. Setelah sel immobilisasi tersedia maka dilakukan fermentasi dalam reaktor kontinyu, dengan mengalirkan molases menggunakan pompa peristaltik kondisi flow rate 180 mL/jam, dilution rate 0,18 jam-1. Pengambilan sampel dilakukan selama proses fermentasi pada interval waktu tertentu untuk menganalisa jumlah sel, kadar gula reduksi dan kadar etanol. Uji kadar gula i
reduksi dilakukan dengan metode DNS, kadar etanol dianalisa dengan metode GC dan analisa jumlah sel diuji dengan metode counting chamber. Dari hasil penelitian diperoleh kadar etanol dan produktivitas etanol tertinggi pada konsentrasi glukosa 149,35 g/L dan kerapatan κ-karaginan 2 % masing-masing sebesar 47,249 g/L, 8,505 g.l-1.jam-1. Berdasarkan hasil penelitian disimpulkan bahwa konsentrasi glukosa dan kerapatan κ-karaginan berpengaruh terhadap konsentrasi dan produktivitas etanol.
Kata Kunci : Etanol, molases, konsentrasi K-karaginan, mixed flow reactor, Zymomonas mobilis A3, immobilisasi sel.
ii
ETANOL DARI MOLASES OLEH ZYMOMONAS MOBILIS TERMUTASI YANG DIIMOBILISASI PADA K-KARAGINAN PADA REAKTOR KONTINYU
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Program Studi S-1 Jurusan Teknik Kimia Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
oleh : LAILI IKSANTI NANIK DWI JAYANTI
Nrp.2305100039 Nrp.2305100148
Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1.Dr.Ir. Tontowi Ismail, M.S…………………...(Pembimbing) 2. Dr.Ir. Susianto, DEA…………………………….(Penguji I) 3. Ir. Nuniek Hendrianie, MT……………………. .(Penguji II) 4. Ir. Elly Agustiani, M.Eng………………………(Penguji III)
SURABAYA JULI, 2009
KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT atas nikmat, rahmat dan ridlo-Nya yang tiada henti, sehingga kamipun berhasil menyelesaikan skripsi dengan judul : ETANOL DARI MOLASES MENGGUNAKAN ZYMOMONAS MOBILIS TERMUTASI YANG SELNYA DIIMOBILISASI PADA K-KARAGINAN PADA REAKTOR KONTINYU Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Tiada kata yang paling banyak kami ucapkan kecuali terima kasih untuk semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini. Dalam kesempatan ini kami tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr.Ir.Tri Widjaja, M.Eng, selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS, dan Kepala Laboratorium Teknologi Biokimia. 2. Dr.Ir.Tontowi Ismail, M.S, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan waktu, tenaga, perhatian, masukan dan bimbingan buat kami. 3. Dr.Ir.Susianto, DEA selaku dosen penguji I yang telah memberikan banyak masukan dan saran selama proses pengerjaan tugas akhir. 4. Ir.Nuniek Hendrianie, MT selaku dosen penguji II yang telah memberikan banyak masukan, bimbingan, dan saran selama pengerjaan tugas akhir. 5. Ir.Elly Agustiani, M.Eng selaku dosen penguji III yang telah memberikan banyak masukan dan saran selama pengerjaan tugas akhir. 6. Prof.Dr.Ir.Kusno Budi Karjono, MT, selaku Koordinator Tugas Akhir dan Skripsi Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS.
v
7. Kedua orang tua kami tercinta, atas segala kasih sayang, kesabaran, doa dan pengorbanan yang tak pernah bosan diberikan kepada kami. 8. Teman-teman seperjuangan K-45, dan rekan-rekan di laboratorium Biokimia terima kasih untuk kerja sama dan dukungan yang telah diberikan. 9. Bapak Mukti Utomo serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu yang telah turut membantu demi kelancaran kelancaran penyelesain skripsi ini. Kami menyadari bahwa laporan ini banyak kekurangan, sehingga saran dan kritik yang membangun sangat kami perlukan. Semoga laporan Skripsi ini dapat bermanfaat bagi semuanya.
Surabaya, Juli 2009
Penyusun
vi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL LEMBAR PERSETUJUAN ABSTRAK…………………………………………….. KATA PENGANTAR ………………………………… DAFTAR ISI…………………………………………... DAFTAR GAMBAR………………………………….. DAFTAR TABEL……………………………………... BAB 1 PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang………………………………... I.2 Rumusan Masalah.............................................. I.3 Tujuan Penelitian............................................... I.4 Manfaat Penelitian............................................. I.5 Batasan Masalah................................................ BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Fermentasi………………………...................... II.1.1 Hal-hal yang mempengaruhi fermentasi.. II.2 Mikroorganisme................................................. II.2.1 Jenis Mikroorganisme.............................. II.2.2 Pertumbuhan zymomonas mobilis............ II.3 Media fermentasi yang digunakan..................... II.4 Etanol……......................................................... II.5 Sel yang diimobilisasi........................................ II.6 K-karaginan........................................................ II.7 Kinetika pertumbuhan untuk kultur kontinyu pada CSTR……….......................................... II.8 Metode analisa hasil eksperimen……………... II.9 Penelitian Terdahulu.......................................... BAB III METODOLOGI PENELITIAN III.1 Variabel Penelitian............................................. III.2 Bahan dan Peralatan…………………………... III.3 Metode Penelitian…………………………….. III-4 Set-up Peralatan Penelitian…………………....
vii
i v vii ix xi 1 2 3 3 3 4 4 6 6 7 8 9 10 13 15 22 24 27 27 28 32
III-5 Diagram Alir Penelitian………………………. BAB IV HASIL dan PEMBAHASAN IV-1 Hasil Penelitian ……………………………......
32
IV.1.1 Pembuatan sel immobilisasi....................
36
IV.1.2 Molases sebagai substrat...……………..
36
IV.1.3 Proses fermentasi………………………
37
IV.1.4 Data eksperimen……………………….. IV-2 Pembahasan……….…………………………... BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V-1 Kesimpulan……………………………………. V-2 Saran…………………………………………... DAFTAR NOTASI DAFTAR PUSTAKA APPENDIKS
viii
36
37 39 51 51 x xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3
Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 3.1 Gambar 4.1 Gambar 4.2
Gambar 4.3
Gambar 4.4
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Diagram skematis kultur kontinu dengan kontrol satuan dalam volume kemostat yang konstan………... Kemostat tanpa pompa yang dipertahankan pada level konstan……………………………………………….. Biostat dengan sumber cahaya digunakan untuk mendeteksi kekeruhan sel dan densitas optik bakteri..…………………...………………………….. Analisa konsentrasi sisa glukosa dengan metode DNS Haemacytometer Neubauer........................................... Skema dari system mixed flow reactor………………. Perubahan Warna pada Uji Kualitatif Adanya Etanol.. Konsentrasi etanol dan glukosa sisa vs periode pengambilan sampel pada konsentrasi glukosa 92,0583 g/L dan -karaginan 1 %................................ Konsentrasi etanol dan glukosa sisa vs periode pengambilan sampel pada konsentrasi glukosa 92,0583 g/L dan -karaginan 2 %................................ Konsentrasi etanol dan glukosa sisa vs periode pengambilan sampel pada konsentrasi glukosa 100,4871 g/L dan -karaginan 1 %…………………... Konsentrasi etanol dan glukosa sisa vs periode pengambilan sampel pada konsentrasi glukosa 100,4871 g/L dan -karaginan 2 %…………………... Konsentrasi etanol dan glukosa sisa vs periode pengambilan sampel pada konsentrasi glukosa 149,3478 g/L dan -karaginan 1 %…………………... Konsentrasi etanol dan glukosa sisa vs periode pengambilan sampel (jam) pada konsentrasi glukosa 149,3478 g/L dan -karaginan 2 %............................... Kadar Etanol (g/L) vs Konsentrasi Glukosa (g/L)..............................................................................
ix
17 18
19 24 24 35 43
44
45
45
46
46
47 47
Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11
Gambar 4.12
Gambar 4.13
Gambar 4.14
Gambar 4.15
Gambar 4.16
Gambar A.1 Gambar A.2
Yield Etanol (%) vs Konsentrasi Glukosa (g/L) ...................................................................................... Produktivitas Etanol (g.l-1.jam-1) vs Konsentrasi Glukosa (g/L) ............................................................... Konsentrasi glukosa sisa vs periode pengambilan sampel pada konsentrasi glukosa 92,0583 g/L................................................................................. Konsentrasi glukosa sisa vs periode pengambilan sampel pada konsentrasi glukosa 100,4871 g/L................................................................................. Konsentrasi glukosa sisa vs periode pengambilan sampel pada konsentrasi glukosa 149,3478 g/L................................................................................. Kurva Jumlah Biomass yang Terikut pada Aliran Keluar pada konsentrasi glukosa 92,0583 g/L................................................................................. Kurva Jumlah Biomass yang Terikut pada Aliran Keluar pada konsentrasi glukosa 100,4871 g/L................................................................................. Kurva Jumlah Biomass yang Terikut pada Aliran Keluar pada konsentrasi glukosa 149,3478 g/L................................................................................. Kurva absorbansi vs konsentrasi glukosa……………. Ruang hitung haemacytometer……………………….
x
49 50
53 54
54
55
56
56 A-2 A-2
DAFTAR NOTASI Daftar notasi μ S μ max Ks KLa cg cx D κ λ
α
F V Kd Do
Keterangan
Satuan
kecepatan pertumbuhan spesifik jam-1 konsentrasi substrat residu g/L kecepatan pertumbuhan maksimal jam-1 konstanta pemakaian substrat g/L koefisien transfer massa oksigen volumetrik Jam-1 permukaan sel-sel perpindahan oksigen terlarut dalam air ke permukaan sel Dilution rate jam-1 kappa lambda konsentrasi molar dalam aliran feed mol.l-1 konsentrasi molar dalam aliran keluar mol.l-1 laju aliran feed atau laju konsumsi mol.l-1.s-1 Konsentrasi sel gr.l-1 konstanta laju pertumbuhan spesifik Koefisien Yield sel substrat gr sel.gr substrat-1 Koefisien Yield produk substrat gr produk.gr substrat-1 Selisih konsentrasi substrat mol.l-1 Konsentrasi substrat masukan mol.l-1 Konsentrasi substrat keluaran laju alir volume bioreaktor laju kematian spesifik Difusivitas substrat dalam broth
x
mol.l-1 l.jam-1 liter jam-1
Dc
Difusivitas substrat dalam sel laju pembentukan produk
xi
gr produk.l1 .jam-1
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Tabel 4.2
Tabel A.1 Tabel A.2 Tabel A.3 Tabel A.4 Tabel A.5 Tabel A.6 Tabel A.7 Tabel A.8 Tabel B.1 Tabel B.2 Tabel B.3 Tabel B.4 Tabel B.5
Konsentrasi etanol rata-rata tertinggi pada konsentrasi glukosa 92,0583 g/L, 100,4871g/L, 149,3478 g/L.............................................................. Kinetik parameter untuk pertumbuhan Zymomonas mobilis Strain A3 dalam continuous mixed flow reactor pada konsentrasi glukosa awal yang berbeda……………………………………………... Pembuatan Kurva Kalibrasi Glukosa........................ Pembuatan Kurva Kalibrasi Etanol........................... Hasil perhitungan untuk konsentrasi glukosa 92,0583 g/L, kerapatan κ-karaginan 1 %.................. Hasil perhitungan untuk konsentrasi glukosa 92,0583 g/L, kerapatan κ -karaginan 2 %................. Hasil perhitungan untuk konsentrasi glukosa 100,4871 g/L, kerapatan κ -karaginan 1 %................ Hasil perhitungan untuk konsentrasi glukosa 100,4871 g/L, kerapatan κ -karaginan 2 %................ Hasil perhitungan untuk konsentrasi glukosa 149,3478 g/L, kerapatan κ -karaginan 1 %................ Hasil perhitungan untuk konsentrasi glukosa 149,3478 g/L, kerapatan κ -karaginan 2 %................ Berat sel kering pada konsentrasi glukosa 92,0583 g/L, kerapatan κ -karaginan 1 %................................ Berat sel kering pada konsentrasi glukosa 92,0583 g/L, kerapatan κ -karaginan 2 %................................ Berat sel kering pada konsentrasi glukosa 100,4871 g/L, kerapatan κ -karaginan 1 %................................ Berat sel kering pada konsentrasi glukosa 100,4871 g/L, kerapatan κ -karaginan 2 %................................ Berat sel kering pada konsentrasi glukosa 149,3478 g/L, kerapatan κ -karaginan 1 %................................
xi
44
51 A-1 A-2 A-8 A-9 A-10 A-11 A-12 A-13 A-14 A-15 A-16 A-17 A-18
Tabel B.6
Berat sel kering pada konsentrasi glukosa 149,3478 g/L, kerapatan κ -karaginan 2 %................................
xii
A-19
