POTENSI KHAMIIR DALAM M FERME ENTASI HIDR ROLISAT T RUMPU UT LAUT (Kappaphy ( ycus alvarrezii) MENJAD DI BIOET TANOL
INGGIT T RADESIYANI
DEPART TEMEN BIOLOGI B I F FAKULTA AS MATE EMATIKA A DAN IL LMU PENG GETAHU UAN ALAM M IN NSTITUT P PERTANIIAN BOG GOR BOGOR R 2013
ABSTRAK INGGIT RADESIYANI. Potensi Khamir dalam Fermentasi Hidrolisat Rumput Laut (Kappaphycus alvarezii) Menjadi Bioetanol. Dibawah bimbingan GAYUH RAHAYU dan DWI SETYANINGSIH. Rumput laut (K. alvarezii) mengandung galaktosa yang dapat digunakan sebagai bahan baku bioetanol. Beberapa khamir menggunakan galaktosa sebagai sumber karbon dan sumber energi serta mengubahnya menjadi etanol. Penelitian ini bertujuan untuk menapis Pachysolen tannophilus IPBCC y 11.1149, Pichia anomala IPBCC y 11.1182, dan IPBCC y 11.1192 serta Saccharomyces cerevisiae IPBCC y 03.545 dalam kemampuannya mengubah hidrolisat rumput laut menjadi bioetanol. Sebelum penapisan, galur-galur tersebut diuji kemampuannya dalam fermentasi glukosa dan galaktosa menjadi bioetanol. Semua galur khamir dapat mengubah glukosa menjadi etanol, tetapi hanya dua galur yang dapat mengubah galaktosa menjadi etanol yakni P. tannophilus and S. cerevisiae. Dua galur ini diseleksi kemampuannya menghasilkan etanol dari hidrolisat rumput laut. P. tannophilus merupakan khamir yang potensial. P. tannophilus menghasilkan volume etanol yang lebih tinggi (0.48mL-1.13mL) dibandingkan dengan S. cerevisiae (0.05mL-0.11mL). Kadar etanol kedua isolat juga berbeda, P. tannophilus menunjukkan kadar etanol yang lebih tinggi (0.50%-1.18%) dibandingkan dengan S. cerevisiae (0.05%-0.19%). P. tannophilus memiliki efisiensi substrat berkisar dari 16.45%-24.38% dan efisiensi fermentasi berkisar dari 12.16%-23.13% lebih tinggi dibandingkan dengan efisiensi substrat dan efisiensi fermentasi S. cerevisiae, yaitu berturut-turut 20.76%-22.6% dan 1.18%-2.19%. Kata kunci: bioetanol, hidrolisat Kappaphycus alvarezii, Saccharomyces cerevisiae, Pachysolen tannophilus, Pichia anomala
ABSTRACT INGGIT RADESIYANI. Yeast Producing Bioetanol From Seaweed (Kappaphycus alvarezii) Hydrolysate. Supervised by GAYUH RAHAYU and DWI SETYANINGSIH. Seaweed (K. alvarezii) contains galactose that can be used as raw material for bioetanol production. Some yeasts were able to use galactose for carbon source and energy source as well as converts it into bioethanol. This study was aimed to screening Pachysolen tannophilus IPBCC y 11.1149, Pichia anomala IPBCC y 11.1182, and IPBCC y 11.1192, and Saccharomyces cerevisiae IPBCC y 03.545 in their ability to produce bioetanol from seaweed hydrolysate. Prior to screening, these yeasts were determined their ability to ferment glucose and galactose to bioetanol. All strain were able to convert glucose to bioetanol, but only two strains can use galactose. These were P. tannophilus and S. cerevisiae. These isolates were tested for their ability to produce bioetanol from seaweed hydrolysate. P. tannophilus was the potential one. P. tannophilus produce more ethanol volume (0.50%-1.18%) comparing to S. cerevisiae (0.05%-0.11%). The ethanol concentration from both strain were different, P. tannophilus showed ethanol concentration higher (0.50%-1.18%) than S. cerevisiae (0.05%-0.19%). P. tannophilus had the substrate efficiency 16.45%-24.38% and fermentation efficiency 12.16%-23.13% it was higher than S. cerevisiae which has 20.76%-22.6% and 1.18%-2.19% respectively.
Keywords: bioetanol, hydrolysate of Kappaphycus alvarezii, Saccharomyces cerevisiae, Pachysolen tannophilus, Pichia anomala
POTENSI KHAMIR DALAM FERMENTASI HIDROLISAT RUMPUT LAUT (Kappaphycus alvarezii) MENJADI BIOETANOL
INGGIT RADESIYANI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Biologi
DEPARTEMEN BIOLOGI Judul : Penapisan Khamir Penghasil pada Hidrolisat Rumput ALAM Laut FAKULTAS MATEMATIKA DANEtanol ILMU PENGETAHUAN (Euchema cottonii) INSTITUT PERTANIAN BOGOR Nama : Inggit Radesiyani BOGOR NRP : G34080034 2013
v
Judul Nama NRP
:Potensi Khamir dalam Fermentasi Hidrolisat (Kappaphycus alvarezii) Menjadi Bioetanol :Inggit Radesiyani :G34080034
Rumput
Laut
Disetujui, Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Ir. Gayuh Rahayu NIP. 1958105 198303 2 002
Dr. Ir. Dwi Setyaningsih, M.Si NIP. 19700103 199412 2 001
Diketahui, Ketua Departemen
Dr. Ir. Ence Darmo Jaya Supena, M.Si. NIP 19641002 198903 1 002
Tanggal Lulus:
6
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Potensi Khamir dalam Fermentasi Hidrolisat Rumput Laut (Kappaphycus alvarezii) Menjadi Bioetanol” dengan baik. Penelitian ini dilakukan mulai bulan April sampai Oktober 2012 di Laboratorium Surfactan and Bioenergy Research Center (SBRC IPB) LPPM Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini dibiayai oleh Dana Hibah Kompetitif LPPM IPB tahun 2012. Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr. Ir. Gayuh Rahayu dan Dr. Ir. Dwi Setyaningsih M.Si atas bimbingan, saran, motivasi, dan fasilitas yang telah diberikan selama penelitian dan penyusunan karya ilmiah ini. Terima kasih pula kepada Prof. Dr. Ir. Alex Hartana selaku penguji dan wakil Komisi Pendidikan yang telah memberikan kritik dan saran dalam penulisan karya ilmiah ini. Ungkapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ummi dan Abah serta seluruh keluarga tercinta yang senantiasa memberikan doa, dukungan dan semangatnya. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Mbak Nely, dan Mbak Indah atas segala bantuannya serta teman-teman di SBRC (Raka, Yuni, Dea, Dodi, dan Adit) atas doa dan semangatnya. Tak lupa juga kepada teman-teman Biologi 45, khususnya teman seperjuangan di mikologi (Agul, Siti dan, Ipeh) dan sahabat-sahabat terbaik Biologi 45 (Epoy, Pipit, Dian, Prima, Jijah, Gina, dan, Puspa) serta teman-teman Wisma Fairus atas semangat, perhatian, dan keceriaan yang selalu terukir selama kuliah di IPB. Penulis berharap semoga karya tulis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan.
Bogor, Juni 2013
Inggit Radesiyani
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor, 20 September 1990 dari Bapak H. Gunawan dan Ibu Yayan Nuryani. Penulis merupakan anak ketiga dari enam bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SDN Tangkil 01 pada tahun 2002, SMPN 1 Cijeruk tahun 2005, dan SMAN 1 Cigombong tahun 2008. Setelah itu penulis melanjutkan perguruan tinggi di Departemen Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis aktif sebagai anggota Divisi Rohis Kelas SERUM G IPB periode 2009/2010 dan pernah bergabung dalam kepanitian Pesta Sains Nasional (PSN) tahun 2010 sebagai anggota Divisi Kestari, dan Salam ISC LDK Al-Hurriyah tahun 2010 sebagai anggota divisi Tarhib. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Biologi Dasar, Biologi Cendawan, dan menjadi asisten mata kuliah Pendidikan Agama Islam. Penulis melakukan studi lapang dengan judul “Parasitasi Cecidochares connexa Sebagai Agens Pengendali Hayati Chromolaena odorata di Taman Wisata Alam Pangandaran” pada tahun 2010. Penulis juga pernah melakukan praktik lapang dengan judul “Uji Mikrobiologis Dalam Pengawasan Mutu Produk Air Minum Dalam Kemasan Di PT. Ufia Tirta Mulia” pada tahun 2011.
8
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ............................................................................................................... .….... viii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................ .... viii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................ .... viii 1 PENDAHULUAN ...................................................................................................................... .. Latar Belakang ............................................................................................................. .. Tujuan .............................................................................................................................
BAHAN DAN METODE...............................................................................................................
Waktu dan Tempat .......................................................................................................... Bahan dan Alat................................................................................................................ Metode ............................................................................................................................ Persiapan Inokulum ........................................................................................................ Uji Fermentasi Glukosa dan Galaktosa ......................................................................... Penapisan Khamir Produsen Bioetanol dari Hidrolisat Rumput Laut (K. alvarezii) ....
1 1
1 1 1 1 1 1 2
HASIL ............................................................................................................................................. 2 Pertumbuhan Khamir dan Produksi Etanolnya pada Larutan Glukosa 10%................. 2 Penapisan Pada Media Galaktosa 10% .......................................................................... 4 Pertumbuhan Khamir Terseleksi dan Produksi Etanolnya pada Hidrolisat K. alvarezii 100% .................................................................................................................................. 5
PEMBAHASAN ................................................................................................................................. 7
SIMPULAN......................................................................................................................................
8
SARAN.............................................................................................................................................. 8
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................................................
8
LAMPIRAN ...................................................................................................................................... 10
DAFTAR TABEL Halaman 1 Produksi gelembung gas hasil fermentasi galaktosa 10% menggunakan tabung Durham pada hari ke 5…………………………………………………………................
5
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 2 3 4 5
Pertumbuhan berbagai khamir pada larutan glukosa 10% ................................................. Volume etanol dalam larutan glukosa 10% yang dihasilkan berbagai khamir. ................ Kadar etanol dalam larutan glukosa 10% yang dihasilkan berbagai khamir .................... Efisiensi substrat glukosa 10% dari berbagai khamir ......................................................... Produksi etanol dalam larutan glukosa 10% yang dihasilkan berbagai khamir .................................................................................................................................. 6 Efisiensi fermentasi glukosa dari berbagai khamir ............................................................. 7 Gelembung gas pada jam ke 24: P. tannophilus, Pi. anomala IPBCC y 11.1182, Pi. anomala IPBCC y 11.1192, dan S. cerevisiae ............................................................... 8 Pertumbuhan P. tannophilus dan S. cerevisiae pada hidrolisat K. alvarezii ..................... 9 Volume etanol dalam 100 ml hidrolisat K. alvarezii produksi P. tannophilus dan S. cerevisiae ................................................................................................................... 10 Kadar etanol hasil fermentasi hidrolisat K. alvarezii oleh P. tannophilus dan S. cerevisiae ......................................................................................................................... 11 Efisiensi substrat (hidrolisat K. alvarezii) P. tannophilus dan S. cerevisiae. .................... 12 Presentase produksi etanol hasil fermentasi hidrolisat K. alvarezii oleh P. tannophilus dan S. cerevisiae................................................................................................................... 13 Efisiensi fermentasi P. tannophilus dan S. cerevisiae pada hidrolisat K. alvarezi..............
2 3 3 3 4 4 5 5 5 6 6 6 6
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Cara Perhitungan efisiensi susbtrat dan efisiensi fermentasi……………………………. 2 Kadar etanol dan sisa gula pereduksi selama fermentasi pada media glukosa 10% ...........
11 11
PENDAHULUAN Latar Belakang Bioetanol merupakan salah satu sumber energi alternatif yang dapat digunakan dalam penanganan krisis energi dan lingkungan (Hambali et al. 2008). Sejak tahun 1950-an hingga 1980-an, beberapa peneliti di Indonesia telah mengembangkan riset mengenai bioetanol (Hambali et al. 2008). Namun bahan dasar yang digunakan adalah glukosa dan pati. Bahan-bahan lain seperti lignoselulosa, hemiselulosa atau monomernya seperti xilosa dan galaktosa belum banyak diteliti. Potensi bahan non-glukosa dan non-pati seperti rumput laut dapat dimanfaatkan lebih luas lagi melalui aplikasi bioteknologi. Pada saat ini, pemerintah Indonesia menganjurkan penanaman rumput laut dalam skala besar (KKP 2012). Rumput laut menjadi sumber pendapatan bagi masyarakat pesisir. Rumput laut saat ini dimanfaatkan oleh masyarakat sebagai bahan makanan, minuman, kosmetik, dan obat (Istini 1998). Didalam rumput laut terdapat karbohidrat karagenan yang dapat digunakan sebagai bahan baku etanol (Banati et al. 2009). Kappaphycus sp. adalah salah satu rumput laut yang menghasilkan ekstrak karagenan tinggi. Karagenan merupakan polisakarida rumput laut yang mengandung natrium, magnesium, dan kalsium yang dapat terikat pada gugus ester sulfat dari galaktosa dan kopolimer 3.6-anhidro-galaktosa (Bawa et al. 2007). Produksi etanol dari bahan bukan glukosa pernah diteliti, namun agen fermentasinya masih dalam proses pengembangan. Menurut Kurtzman & Fell (2000), Saccharomyces cerevisiae dapat menggunakan glukosa dan galaktosa sebagai sumber karbon untuk fermentasi. Beberapa khamir seperti Kluyveromyces marxianus, K. africanus, Pachysolen tannophilus, dan Pichia segobiensis telah dilaporkan dapat menggunakan galaktosa (Kurtzman & Fell 2000). IPB Culture Collection (IPBCC) memiliki beberapa koleksi khamir, tetapi kemampuan menghasilkan etanol dari galaktosa dan hidrolisat rumput laut belum diketahui. Oleh sebab itu, penapisan terhadap khamir koleksi IPBCC yang berpotensi sebagai penghasil etanol dari hidrolisat rumput laut perlu dilakukan. Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk menapis khamir-khamir koleksi IPBCC yang
berpotensi mengonversi hidrolisat rumput laut menjadi etanol. BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Penelitian ini dilaksanakan pada bulan April 2012 hingga Oktober 2012, di Laboratorium Surfactant and Bioenergy Research Center (SBRC) LPPM Institut Pertanian Bogor. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah media Yeast Malt Glucose Pepton (YMGP), glukosa, D-galaktosa, hidrolisat rumput laut, pereaksi DNS, NPK, urea, empat galur khamir yakni: Pachysolen tannophilus IPBCC y 11.1149, Pichia anomala IPBCC y 11.1182 dan IPBCC y 11.1192, serta Saccharomyces cerevisiae IPBCC y 03.545. Peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini antara lain peralatan gelas, autoklaf, pH universal, hemasitometer, densitometer (Anton Paar), spektrofotometer (Genesys 20), seperangkat alat inokulasi, dan seperangkat alat destilasi. Metode Persiapan Inokulum. Kultur stok khamir diremajakan pada media YMGP cair dan diinkubasi pada suhu ruang selama 48 jam. Kemudian kultur ini digunakan sebagai sumber inokulum dalam seleksi khamir produsen etanol. Konsentrasi sel dalam sumber inokulum dihitung dengan hemasitometer sebelum digunakan. Inokulan diuji kemampuannya dalam fermentasi glukosa dan galaktosa sebelum diuji kemampuannya dalam mengonversi hidrolisat rumput laut menjadi bioetanol. Uji Fermentasi Glukosa dan Galaktosa. Pada tahap ini uji fermentasi glukosa dilakukan dengan menggunakan media cair glukosa 10% dalam Erlenmeyer 250 mL. Sebanyak 10 ml kultur khamir dimasukkan ke dalam 90 ml larutan glukosa. NPK (0.0054gr) dan Urea (0.045gr) dimasukkan ke dalam larutan fermentasi. Larutan fermentasi diinkubasi pada suhu ruang selama 5 hari. Produksi etanol dinyatakan berdasarkan volume (ml) dan kadarnya (% v/v). Produksi diamati setiap hari mulai hari ke 3 sampai dengan akhir masa inkubasi. Etanol dipisahkan dari air dengan cara destilasi pada suhu 78oC-82oC. Volume destilat yang dihasilkan diukur dengan gelas
2
Penapisan Khamir Produsen Bioetanol dari Hidrolisat Rumput Laut (K. alvarezii). Prosedur penapisan pada hidrolisat rumput laut sama seperti uji fermentasi glukosa, hanya media produksi etanolnya adalah hidrolisat rumput laut 100%. Sebanyak 10 ml kultur khamir terpilih dimasukkan ke dalam 90 ml hidrolisat. NPK (0.0084gr) dan Urea (0.07gr) dimasukkan ke dalam larutan fermentasi. Larutan fermentasi tersebut diinkubasi dalam labu Erlenmeyer 250 ml pada suhu ruang selama 5 hari. Produksi etanol, jumlah sel, efisiensi substrat, dan efisiensi fermentasi diamati. HASIL Pertumbuhan Khamir dan Produksi Bioetanol pada Larutan Glukosa 10% Pada penelitian ini, konsentrasi inokulum P. tannophilus, Pi. anomala IPBCC y 11.1182, dan IPBCC y 11.1192 serta S. cerevisiae berturut-turut adalah 3.2x106 sel/ml, 5.6x106 sel/ml, 6.4x106 sel/ml dan 9.2x106 sel/ml. Konsentrasi sel semua isolat khamir kecuali Pi. anomala IPBCC y 11.1192 meningkat sampai dengan 4 hari
inkubasi dan setelah itu relatif tetap (Gambar 1). Konsentrasi sel P. tannophilus pada hari ke 3, 4, dan 5 berturut-turut adalah 6.85x107 sel/ml, 1.0x108 sel/ml dan 1.1x108 sel/ml. Pi. anomala IPBCC y 11.1182 dan IPBCC y 11.1192 memiliki pola pertumbuhan yang berbeda. Pada masa inkubasi yang sama, konsentrasi sel Pi. anomala IPBCC y 11.1182 meningkat sampai dengan hari ke 4 inkubasi dan stabil pada hari ke 5 inkubasi yaitu 8.6x107 sel/ml, 1.1x108 sel/ml, dan 1.2x108 sel/ml. Konsentrasi sel Pi. anomala IPBCC y 11.1192 relatif meningkat selama masa inkubasi yaitu 5.6x107 sel/ml, 1.0x108 sel/ml, dan 1.3x108 sel/ml. Konsentrasi sel S. cerevisiae berturut-turut dari hari ke 3, 4, dan 5 adalah 9.45x107 sel/ml, 1.3x108 sel/ml, dan 1.4x108 sel/ml (Gambar 1). 8,40 8,20 8,00 Konsentrasi Sel (Log Sel/ml)
ukur sedangkan kadar etanol diukur menggunakan densitometer. Jumlah gula yang dikonsumsi dan jumlah sel khamir dihitung. Efisiensi substrat dan efisiensi fermentasinya juga dihitung (Lampiran 1). Setiap perlakuan dan pengamatan terdiri atas tiga ulangan. Uji fermentasi kedua dilakukan dengan metode tabung Durham. Tabung reaksi berisi 10 ml larutan galaktosa 10% dan tabung Durham dalam posisi terbalik disterilisasi. Sebanyak 0.5 ml satu sumber inokulum (106 sel ml-1) ditambahkan ke dalam tabung secara aseptis dan tabung disumbat. Biakan diinkubasi selama 5 hari. Setiap isolat dibuat 3 kali ulangan untuk setiap hari pengamatan. Setiap hari selama masa inkubasi pembentukan gelembung diamati. Kemampuan fermentasi diukur secara kualitatif berdasarkan ada tidaknya gelembung gas. Pada akhir masa inkubasi, dua isolat dengan kemampuan produksi gelembung gas yang relatif besar dipilih untuk seleksi tahap terakhir. Khamir yang menunjukkan kemampuan fermentasi glukosa dan galaktosa dipilih untuk penelitian selanjutnya. Hasil dinyatakan dalam rata-rata 3 kali ulangan.
7,80 7,60 7,40 7,20 7,00 1
2 3 4 Waktu Inkubasi (hari)
5
IPBCC y 11.1149 P. tannophilus IPBCC Y 11.1149 IPBCC y 11.1182 Pi. anomala IPBCC Y 11.1182 IPBCC y 11.1192 Pi. anomala IPBCC Y 11.1192 S. cerevisiae IPBCC Y 03.545 IPBCC y 03.545
Gambar 1 Pertumbuhan berbagai khamir pada larutan glukosa 10%. Diantara ke-empat isolat yang diuji, S. cerevisiae menunjukan produksi etanol yang tertinggi pada hari ke 3-5 inkubasi (Gambar 2). Volume etanol yang dihasilkan oleh S. cerevisiae berkisar dari 1.81 ml hingga 2.34 ml (Gambar 2) dengan kadar berkisar dari 2.02% hingga 2.56% (Gambar 3). Produksi etanol terendah diperoleh dari P. tannophilus sebesar 0.56 ml hingga 0.59 ml (Gambar 2) dengan kadar berkisar dari 0.41% hingga 0.63% (Gambar 3).
3
2,34
2,23
Volume Etanol (ml)
2
1,81
1,07
1
0,89
0,85
0,74 0,58
0,57 0,53
0,67
0,59
0 3
4 Waktu Inkubasi (hari)
5
IPBCCY.11.1149) y 11.1149 P. tannophilus (IPBCC
IPBCCY11.1182) y 11.1192 Pi. anomala (IPBCC
Pi. anomala(IPBCC IPBCCY11.1192) y 11.1182
IPBCCY03.545) y 03.545 S. cerevisiae (IPBCC
Gambar 2 Volume etanol dalam larutan glukosa 10% yang dihasilkan berbagai khamir. 3
2,65
2,58 2,02
Kadar Etanol (%)
2
1
0,93 0,69
0,60
0,54
0,41
1,15
0,97
0,80
0,63
0 3
4 5 Waktu Inkubasi (hari) P. tannophilus (IPBCC Pi. anomala(IPBCC IPBCC Y.11.1149) y 11.1149 IPBCCY11.1192) y 11.1192 S. cerevisiae (IPBCC IPBCCY03.545) y 03.545
Pi. anomala (IPBCC IPBCCY11.1182) y 11.1182
Efisiensi Substrat (%)
Gambar 3 Kadar etanol dalam larutan glukosa 10% yang dihasilkan berbagai khamir. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
99,13 90,26
87,35
80,89
76,27
74,25
47,73 36,10
35,82
36,39
41,25
23,39
3
4 Waktu Inkubasi (hari)
5
P. tannophilus (IPBCC IPBCCY.11.1149) y 11.1149
IPBCCY11.1182) y 11.1192 Pi. anomala(IPBCC
IPBCCY11.1192) y 11.1182 Pi. anomala (IPBCC
IPBCCY03.545) y 03.545 S. cerevisiae (IPBCC
Gambar 4 Efisiensi substrat glukosa 10% dari berbagai khamir.
4
cerevisiae selama inkubasi hari ke 3-5 berkisar dari 28.87% hingga 38.33%. P. tannophilus menunjukkan nilai efisensi fermentasi terendah selama inkubasi 5 hari inkubasi dibandingkan dengan 3 isolat lainnya yakni berkisar dari 10.11% hingga 11.69% (Gambar 6). Penapisan Pada Media Galaktosa 10% Semua isolat diuji kembali dalam kemampuannya menggunakan galaktosa. Isolat Pi. anomala IPBCC y 11.1182 dan Pi. anomala IPBCC y 11.1192 menunjukkan jumlah gelembung yang sedikit selama inkubasi 5 hari (Tabel 1). Tabung Durham tidak terisi penuh oleh gelembung gas (Gambar 7 b & c). Dua isolat lainnya yakni P. tannophilus dan S. cerevisiae menunjukkan jumlah gelembung yang paling banyak selama inkubasi 5 hari.
S. cerevisiae dapat memanfaatkan substrat lebih efisien dibandingkan dengan 3 isolat lainnya (Gambar 4). Nilai efisiensi substratnya selama 5 hari inkubasi berkisar dari 87.35% hingga 99.13%. Pi. anomala IPBCC y 11.1192 memanfaatkan substrat paling sedikit yakni berkisar dari 36.10% hingga 41.25% (Gambar 4). Produksi etanol S. cerevisiae berdasarkan jumlah gula yang dikonsumsi berkisar dari 17.75-22.48% (b/b gula) (Gambar 5). P. tannophilus menunjukkan produksi etanol terendah berdasarkan jumlah gula yang dikonsumsi. Produksi etanolnya berkisar dari 4.71-7.67% (b/b gula) (Gambar 5). S. cerevisiae juga mengkonsumsi substrat lebih banyak untuk memproduksi etanol dibandingkan 3 isolat lainnya (Gambar 6). Nilai efisiensi fermentasi S. Produksi Etanol (% b/b gula)
25
21,28
20
20,61
22,48
17,75 15,49
15
10,96
10
10,26
7,43
6,29
4,71
5
8,06
7,67
0 3
4 Waktu Inkubasi (hari)
5
P. tannophilus (IPBCC IPBCCY11.1149) y 11.1149
Pi. anomala(IPBCC IPBCCY11.1182) y 11.1182
IPBCC yY 11.1192 Pi. anomala (IPBCC Y11.1192) (IPBCC 11.1192)
S. cerevisiae (IPBCC IPBCCY03.545) y 03.545
Gambar 5 Produksi etanol (% b/b gula) dalam larutan glukosa 10% yang dihasilkan berbagai khamir. 38,33
Efisienai Fermentasi (%)
37,10
36 28,87
31 26
18,39
21 11
10,11
15,32
14,60
13,47
16
10,71
8,68
11,46
11,69
6 1 3
4 Waktu Inkubasi (hari)
5
P. tannophilus (IPBCC (IPBCC 11.1149) IPBCCY11.1149) yY11.1149
Pi. anomala (IPBCC Y11.1182) (IPBCC IPBCC yY11.1182 11.1182)
Pi. anomala (IPBCC Y11.1192) (IPBCC IPBCC yY11.1192 11.1192)
(IPBCC IPBCC yY03.545 03.545) S. cerevisiae (IPBCC Y03.545)
Gambar 6 Efisiensi fermentasi glukosa dari berbagai khamir.
5
Tabung Durrham terisi penuh oleeh T g gelembung gaas dan tidak berubah b hinggga p pengamatan haari kelima (Gaambar 7 a & dd). O Oleh karena itu i dua isolatt ini akan diuuji u untuk tahap selanjutnya, s yakni fermentaasi p pada media hiddrolisat. Prooduksi gelembbung gas hassil ferm mentasi gallaktosa 10% mennggunakan taabung Durhaam padaa hari ke 5 Nama Isolat P. tannophiluss IPBCC y 11.1149 P P anomala IP Pi. PBCC y 11.118 82 P anomala IP Pi. PBCC y 11.119 92 S cerevisiae IP S. PBCC y 03.5455
Geelembung CO2 ++++ + + ++
Keterangan: + ( Gelembun K ng sedikit), + ++ ( (Gelembung agak bannyak), +++ ++ ( (Gelembung baanyak).
a
b
c
d
G Gambar 7 Geelembung gas pada p jam ke 24: (a)). P. tannopphilus, (b). Pi. P an nomala IPBCC C y 11.1182, (cc). Pii. anomala IPB BCC y 11.11992 daan, (d) S. cerevvisiae. Pertumbuhan P n Khamir Terseleksi T daan P Produksi Ettanol pada Hidrolisat K K. a alvarezii 100% % Pada penelitian ini, konseentrasi inokuluum SS. cerevisiae adalah a 7.5x1006 sel/ml dan P P. t tannophilus adalah 5.8 x106 sel/m ml. P Peningkatan k konsentrasi seel S. cerevisiaae d P. tannopphilus selama waktu inkubaasi dan r relatif sama. Konsentrasi K seel S. cerevisiaae s selama inkubasi hari ke 3, 4,, dan 5 berturuutt turut adalah 6.45x107 sel/ml,, 1.3x108 sel/m ml, d 1.4x108 sel/ml, dan s sedangkan konsentraasi s P. tannophilus selama inkkubasi hari ke 3, sel 4 dan 5 berrturut-turut adalah 5.8x107 4, s sel/ml, 1.0x1008 sel/ml, dan 1.2x108 sel/m ml ( (Gambar 8).
8,40 8,20 8,00 7,80 7,60 7,40 7,20 7,00 6,80 6,60 6,40 6,20 6,00 0
1
2
3
4
5
Waktu Inkubassi (hari) P. tannophiluss IPBCC Y11.1149 IPBCC y 11.19149 S. cerevisiae IP IPBCC Y03.545 IPBCC y 03.545
Gam mbar 8 Pertum mbuhan P. tannnophilus dan S. cerrevisiae pada hidrolisat K. alvarrezii. Volume etanool hasil fermenttasi hidrolisat K. alvarezii olehh P. tannopphilus 7-11x (Gaambar 9) dann kadarnya 5.5-10x lebih tingggi (Gambar 10) dibandinggkan dengan produksi dan kadaar etanol dari S. S cerevisiae. Vollume etanol yyang dihasilkaan oleh P. tann nophilus berkkisar dari 0.448-1,13 mL (Gaambar 9) denggan kadarnya yaitu y berkisar darii 0.50%-1.18% % (Gambar 10) 1,2
1,13
1,0 Volume Etanoll (ml) V l Et ( l)
T Tabel 1
Log Sel/mL
0,8 0,6
0,67 0,448
0,4 0,2
0,05
0,11
0,09
0,0 3
4
5
Waktu Inkubasi (hari) IPBCC y 11.1149 Y11.1149 P. tannnophilus IPBCC IPBCCY003.545 y 03.545 S. cerrevisiae IPBCC
G Gambar 9 Vollume etanol daalam 100 ml hidrrolisat K. alvaarezii oleh P. tannnophilus dan S. S cerevisiae.
6
1,4
25
Kadar Etanol (%v/v)
1,2 1,0 0,8 0,6
0,70 0,50
0,4 0,2
0,19
0,13
Produksi Etanol (% b/b gula)
1,18
0,05
20
20,13
19,64
20,86
15 10 5
2,33
3,12
3,53
4
5
0
0,0 3 4 Waktu Inkubasi (hari)
3
5
Waktu inkubasi (hari)
IPBCC y 11.1149 P. tannophilus IPBCC Y11.1149
IPBCCY11.1149 y 11.1149 P. tannophilus IPBCC
IPBCCY03.545 y 03.545 S. cerevisiae IPBCC
S. cerevisiae IPBCC Y03.545 IPBCC y 03.545
Gambar 10 Kadar etanol hasil fermentasi hidrolisat K. alvarezii oleh P. tannophilus dan S. cerevisiae. P. tannophilus memiliki nilai efisiensi substrat relatif sama dibandingkan dengan S. cerevisiae. Nilai efisiensi substrat selama 3 hari inkubasi dari P. tannophilus berkisar dari 16.45%-24.38% (Gambar 11), sedangkan S. cerevisiae berkisar dari 20.76%-22.6%. Produksi etanol P. tannophilus berdasarkan gula yang dikonsumsi berkisar dari 19.84-20.86% (b/b gula) (Gambar 12).
Gambar 12 Presentase produksi etanol hasil fermentasi hidrolisat K. alvarezii oleh P. tannophilus dan S. cerevisiae. P. tannophilus memanfaatkan lebih banyak gula-gula terlarut dalam hidrolisat untuk fermentasi dibandingkan dengan S. cerevisiae. Efisiensi fermentasi P. tannophilus selama 3 hari inkubasi berkisar dari 12.16%-23.13% (Gambar 13), sedangkan S. cerevisiae berkisar dari 1.18%2.19%.
30
20,76
21,35 21,18
25
24,38 22,6
23,13
20
20
Efisiensi Fermentasi (%)
Efisiensi Substrat (%)
25
16,45
15 10 5
14
15 12,16
10
5 0 3
4
5
Waktu Inkubasi (hari) P. tannophilus IPBCC Y11.1149 IPBCC y 11.1149 S. cerevisiae IPBCC IPBCCY03.545 y 03.545
Gambar 11 Efisiensi substrat (hidrolisat K. alvarezii) P. tannophilus dan S. cerevisiae.
1,18
1,87
2,19
4
5
0 3
Waktu Inkubasi (hari) P. tannophilus IPBCC IPBCCY11.1149 y 11.1149 S. cerevisiae IPBCC IPBCCY03.545 y 03.545
Gambar 13 Efisiensi fermentasi P. tannophilus dan S. cerevisiae pada hidrolisat K. alvarezii.
PEMBAHASAN Pertumbuhan mikroba ditandai dengan peningkatan biomassa dan kecepatan pertumbuhannya bergantung pada lingkungan fisik dan kimianya (Reed & Rehm 1983). Diantara beberapa faktor kimia, sumber karbon menjadi faktor utama. Dua jenis gula yang baik digunakan sebagai sumber karbon oleh S. cerevisiae adalah glukosa dan fruktosa (Martini & Martini 2001). Menurut Casida (1980), konsentrasi glukosa optimum untuk pertumbuhan S. cerevisiae berkisar dari 10%-18%. Pada uji fermentasi glukosa, kadar glukosa yang dipergunakan untuk uji adalah 10%. Pada kondisi ini populasi sel semua isolat khamir meningkat sampai dengan hari ke 4 inkubasi dan setelah itu relatif tetap kecuali Pi. anomala IPBCC y 11.1192. Konsentrasi Pi. anomala IPBCC y 11.1192 masih meningkat hingga hari kelima. Peningkatan konsentrasi sel diduga karena gula pereduksi (Lampiran 2) dalam media masih tersedia dalam jumlah yang cukup banyak sehingga sel masih dapat memperbanyak diri. Pada uji fermentasi glukosa 10%, S. cerevisiae memproduksi etanol dengan volume (1.81-2.34ml) dan kadar etanol (2.02-2.56%) yang tinggi selama masa inkubasi. S. cerevisiae merupakan salah satu spesies khamir yang memiliki daya konversi gula menjadi etanol yang tinggi (Oura 1983), bersifat fermentatif kuat, dan sangat aktif memfermentasi pada suhu 20oC (Frazier & Westhoff 1978). Produksi etanol yang tinggi berkorelasi dengan efisiensi substrat dan efisiensi fermentasinya. Substrat yang digunakan oleh keempat galur khamir itu tidak seluruhnya dikonversi menjadi etanol. Diantara keempat galur, efisiensi fermentasi S. cerevisiae tertinggi dan berkisar antara 28.87%38.33%, sehingga substrat digunakan oleh S. cerevisiae lebih banyak untuk memproduksi etanol dibandingkan 3 isolat lainnya. Namun demikian, nilai efisiensi ini kurang dari fermentasi alkohol teoritis dari bahan baku yang mengandung glukosa. Berdasarkan persamaan reaksi fermentasi alkohol yakni : C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+2ATP, 70% energi bebas yang dihasilkan dikeluarkan sebagai panas dan secara teoritis 100% karbohidrat diubah menjadi 51,1% etanol dan 48.9% menjadi CO2 ( Prescott & Dunn 1981).
Selain glukosa, monomer polisakarida lainnya seperti silosa, manosa dan galaktosa juga dapat dimanfaatkan sebagai sumber karbon oleh khamir (Kurtzman & Fell 2000). Pada uji kemampuan fermentasi Dgalaktosa 10% menjadi gelembung gas, dua galur khamir yakni P. tannophilus IPBCC y 11.1149 dan S. cerevisiae IPBCC y 03.545 memiliki kemampuan fermentasi galaktosa lebih baik daripada galur-galur Pi. anomala. Menurut Kurtzman & Fell (2000) Pi. anomala memiliki kemampuan yang lemah dalam memfermentasi galaktosa dan memiliki kemampuan yang kuat untuk memfermentasi glukosa dan sukrosa. P. tannophilus dan S. cerevisiae menujukkan jumlah gelembung yang paling banyak sejak pengamatan hari pertama. Kedua galur itu kemudian terpilih untuk fermentasi hidrolisat K. alvarezii. Galaktosa merupakan nutrisi nonkonvensional bagi khamir. Metabolisme galaktosa pada khamir dilakukan dengan bantuan enzim khusus pada jalur Leloir (Frey 1996) yakni, galaktosa mutarotase, galaktokinase, galaktosa 1-fosfat uridiltransferase, UDP 4-epimerase dan fosfoglukomutase. Sebagian besar organisme termasuk S. cerevisiae memiliki enzim khusus tersebut (Timson 2007). Pada saat galaktosa yang tersedia dalam media, enzim-enzim tersebut akan mengubah Dgalaktosa menjadi D-glukosa 6-fosfat. Galaktosa merupakan komponen utama gula terlarut dalam hidrolisat K. alvarezii dan diikuti oleh glukosa dalam jumlah yang sedikit (Meinita et al. 2011). Produksi etanol dari hidrolisat rumput laut oleh P. tannophilus dan S. cerevisiae berbeda dari produksi etanolnya pada fermentasi glukosa 10%. Kadar etanol yang dihasilkan oleh P. tannophilus sebesar 0.50-1.18% dan S. cerevisiae sebesar 0.05-0.58%. Hal ini menunjukkan P. tannophilus memiliki kemampuan untuk menggunakan galaktosa lebih baik daripada S. cerevisiae. Meskipun demikian, produksi etanol ini tidak lebih baik dibandingkan dengan produksi etanol S. cerevisiae pada media glukosa. Malezka et al. (1982) juga menemukan satu galur P. tannophilus NRRL Y-2460 yang mampu menghasilkan etanol pada media Dgalaktosa 2% dengan kadar etanol sebesar 0.98%. Namun, produksi etanol S. cerevisiae IPBCC Y03.545 kurang dari produksi etanol galur S. cerevisiae (1.4%) yang digunakan oleh Meinita et al. (2011) pada medium yang sama.
8
Selama produksi etanol P. tannophilus dan S. cerevisiae mengonsumsi gula-gula terlarut pada hidrolisat rumput laut. Efisiensi substrat kedua khamir relatif sama. Gula terlarut pada hidrolisat tidak seluruhnya diubah menjadi etanol oleh P. tannophilus dan S. cerevisiae. P. tannophilus memiliki efisiensi fermentasi (12.16 % -23.13 %) yang lebih tinggi, tetapi nilai tersebut masih kurang dari efisiensi fermentasi (41%) galur S. cerevisiae pada hidrolisat rumput laut hasil penelitian Meinita et al. (2011). Galur P. tannophilus dan S. cerevisiae yang digunakan dalam penelitian ini belum pernah diadaptasi pada media hidrolisat, namun galur lain yaitu S. cerevisiae IPBCC y 05.548 AL IX yang telah diadaptasi oleh Setyaningsih et al. (2012) mampu menghasilkan kadar etanol yang lebih baik yaitu 2% dengan efisiensi fermentasi 48.86 %. Oleh sebab itu galur P. tannophilus dan S. cerevisiae koleksi IPBCC yang dipergunakan dalam penelitian ini belum menjadi galur unggul untuk konversi hidrolisat rumput laut menjadi etanol. Pada uji fermentasi galaktosa dengan tabung Durham, kemampuan produksi CO2 tidak dapat dibedakan. Namun, ketika kedua galur tersebut diuji kemampuan produksi bioetanolnya dari hidrolisat rumput laut, P. tannophilus menunjukkan kemampuan produksi yang lebih baik. Kemungkinan produksi etanol dalam hidrolisat rumput laut dipengaruhi oleh adanya senyawa inhibitor pada hidrolisat. Senyawa inhibitor seperti hidroksimetil furfural dan furfural hasil hidrolisis asam bahan lignoselulosa akan menghambat pertumbuhan mikroba dalam proses fermentasi untuk menghasilkan etanol (Palmqvist & Hagerdal 2000). Meinita et al. (2011) menganalisis kandungan inhibitor dalam hidrolisat rumput laut K. alvarezii dan menyatakan bahwa senyawa inhibitor dalam hidrolisat rumput laut adalah hidroksimetil furfural (HMF) serta asam levulinik. S. cerevisiae diduga menggunakan gula sebagai sumber energi untuk detoksifikasi HMF dan furfural daripada memproduksi etanol seperti dilaporkan Maharani (2011). P. tannophilus diduga lebih toleran terhadap inhibitor dalam hidrolisat K. alvarezii dibandingkan dengan S. cerevisiae. Khamir yang toleran terhadap HMF dan furfural akan mengonversi HMF dan furfural menjadi alkohol (Maharani 2011). Kemampuan P. tannophilus memproduksi etanol dalam hidrolisat
rumput laut lebih tinggi jika dibandingkan dengan S. cerevisiae, namun masih kurang dari produksi etanol S. cerevisiae dalam glukosa. Sehingga P. tannophilus memiliki kemampuan yang relatif sama dalam mengubah glukosa dan hidrolisat K. alvarezii menjadi etanol.
SIMPULAN Semua galur khamir mampu mengubah glukosa menjadi bioetanol, namun hanya dua galur khamir yakni P. tannophilus IPBCC y 11.1149 dan S. cerevisiae IPBCC y 03.545 yang dapat menggunakan galaktosa dan hidrolisat rumput laut sebagai media untuk fermentasi. SARAN Perlu dilakukan adaptasi terhadap S. cerevisiae dan P. tannophilus untuk meningkatkan produksi etanol dari hidrolisat rumput laut dan perlakuan khusus untuk menghilangkan inhibitor fermentasi.
DAFTAR PUSTAKA Banati F. 2008. Pengaruh penambahan enzim α-amilase pada fermentasi karbohidrat ekstrak Ulva fasciata dari Bale kamban, Malang menggunakan ragi roti fermipan [skripsi]. Surabaya: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Surabaya. Bawa BAGI, Putra BAA, Laila RI. 2007. Penentuan pH optimum isolasi karaginan dari rumput laut jenis Eucheuma cottonii. Kimia 1: 15-20. Casida LE. 1980. Industrial Microbiology. New York: John Wiley and Sons Inc. Frazier WB, Westhoff DC. 1998. Food Microbiology. Third Edition. New York: McGraw-Hill, Inc. Frey PA. 1996. The Leloir Pathway: mechanism imperative for three enzymes to change the stereochemical configuration of a single carbon in galactose. Federation of American Societies For Experimental Biology 10: 46-470. Hambali E, Mudjalipah S, Tambunan AH, Pattirwi AW, Hendroko R. 2008.
9
Teknologi Bioenergi. Jakarta: Agro Media Pustaka Jakarta Selatan. Istini S, Suhaimi. 1998. Manfaat dan Pengolahan Rumput Laut. Jakarta: Lembaga Oseonologi Nasional. [KKP] Kementrian Kelautan dan Perikanan. 2012. Workshop of Mariculture Indonesia-Norwegia. [terhubung berkala]http://www.djpb.kkp.go.id/be rita.php [5 Feb 2013]. Kurtzman CP, Fell JW. 2000. The Yeast, A Taxonomy Study Fourth Edition. Amsterdam: Elsevier Science B.V. Maharani DM. 2011. Adaptasi Saccharomyces cerevisiae terhadap hidrolisat asam ubi kayu untuk produksi etanol [tesis]. Bogor: Program Pasca Sarjana, Institut Pertanian Bogor. Malezka R, Wang FY, Schneider H. 1982. Ethanol production from D-Galactose and glycerol by Pachysolen tannophillus. Enzyme and Microbial Technology 4: 349-352. Martini AV, Martini A. 2001. Saccharomyces meyen ex Reess. Di dalam: Kurtzman CP, Fell JW (ed). The Yeast, A Taxonomy Study Fourth Edition. Amsterdam: Elsevier. Meinita MDN et al. 2011. Bioethanol production from acid hydrolysate of the carrageenophyte Kappaphycus alvarezii (cottonii). Journal of Applied Phycology 24: 857-862. Oura E. 1983. Reaction products of yeast fermentation. Di dalam: H. Dellweg, (ed.) Biotechnology Volume III. New York: Academic Pr. Palmqvist E, Hahn-Hagerdal B. 2000. Fermentation of lignocellulosic hiydrolysates. II: inhibitors and mechanism of inhibition. Bioresource Technology 74: 25-33. Prescott SC, C. G. Dunns. 1981. Industrial Microbiology. Connecticut: The AVI. Publ. Co. Inc. West Port. Reed G, Rehm HJ. 1983. Biotechnology, Vol.5 Food and Feed Production with Microorganisms.West Germany: Verlag Chemie Weinheim. Setyaningsih D, Windarwati S, Khayati I, Muna N, Purnomo P. 2012. Acid
hydrolysis technique and yeast adaptation to increase red macroalgae bioetanol production. International Journal of Environment and Bioenergy 3(2): 98-110. Timson DJ. 2007. Galactose metabolism in Saccharomyces cerevisiae: A review. Dynamic Biochemistry 3: 63-73.
10
LAMPIRAN
11
L Lampiran 1 Cara perhitungaan efisiensi substrat dan efisieensi fermentasii Efisiensi substrat dihitung deengan rumus: E E Efisiensi substrrat(ds/s) = S = total gulaa awal; S = gulaa total setelah ffermentasi S0 E Efisiensi fermeentasi dapat dihhitung dengan rumus: (Maaharani 2011)
Efisiensi feermentasi(%)=
2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
12
Sisa Gula Pereduksi (%b/v)
10
8
6
4
2
0 0
3
4 Waktu Inkubasi I (harii)
S. cerevisiae IPBCC Y 03.5545 P. tannophilu us IPBCC Y 111.1149 Pc. anomala IPBCC Y 11.11182 S. cerevisiae IPBCC Y 03.5545 Keterangaan
: Kadar Etanol
5 P. tannophillus IPBCC Y 11.1149 Pc. anomalaa IPBCC Y 11.1182 Pc. anomalaa IPBCC Y 11.1192 Pc. anomalaa IPBCC Y 11.1192
: Sisa Gula Pereduksi
Kadar Etanol (%v/v)
L Lampiran 2 Kadar K etanol daan sisa gula perreduksi selamaa fermentasi paada media glukkosa 10%
