Pembuatan Etanol Dari Nira Siwalan (Borassus flabellifer L.) Dengan Proses Fermentasi Ekstraktif Secara Immobilisasi Sel Dalam Packed Bed Bioreactor Oleh Azlina Tyara Putri Astuti Lisa Wardany Pembimbing : Dr. Ir. Tontowi Ismail, M.Sc Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M. Eng
(2309 100 034) (2309 100 037)
Latar Belakang Etanol diperlukan untuk substitusi BBM
Adanya variasi rasio recycle dan pemilihan mikroba utuk mencari kondisi optimum
Diperlukan recycle rafinat ke fermentor untuk meningkatkan produktivitas dan yield etanol
Adanya kelemahan dalam fermentasi batch sehingga menurunkan produktivitas dan akumulasi produk dapat meracuni mikroba
Dilakukan proses fermentasi kontinyu dengan immobilisasi sel yang terintegrasi dengan ekstraksi
Rumusan Masalah Besarnya kebutuhan bahan bakar, bioetanol sebagai energi alternatif Penggunaan Zymomonas mobilis termutasi dan fermipan dengan teknik immobilisasi sel
Digunakan fermentasi kontinyu dalam packed bed bioreaktor Penggunaan K-Karaginan sebagai supporting matrice dengan metode entrapment
Peningkatan Produktivitas Etanol
Batasan Masalah Bahan baku : Nira Siwalan Bakteri
: Zymomonas mobilis dan Saccharomyces cerevisiae (fermipan)
Fermentor yang digunakan: Packed bed bioreactor secara kontinyu Supporting matrice : k-karaginan Pelarut : n-amyl alcohol Rasio recycle rafinat: 50%, 60% dan tanpa recycle
Tujuan Penelitian • Meningkatkan produktivitas etanol dengan proses fermentasi kontinyu dan ekstraksi secara terintegrasi menggunakan Zymomonas mobilis dan Saccaromyces cerevisiae yang terimmobilisasi, dengan metode penjebakan (entrapment) dalam matriks berpori.
• Meningkatkan produktivitas etanol dan yieldnya dengan fermentasi kontinyu dan ekstraksi secara terintegrasi dengan adanya sistem recycle dari rafinat.
Manfaat Penelitian •Meningkatkan produktivitas dan yield etanol dari proses fermentasi dengan bahan baku nira siwalan.
•Mengurangi energi yang diperlukan dalam proses pemurnian etanol pada kolom distilasi, dikarenakan umpan yang masuk sudah tidak mengandung banyak gula karena telah dipisahkan pada proses ekstraksi sebelumnya.
Bahan Baku Dipilih nira siwalan dengan alasan: • • •
Ketersediaannya melimpah Tidak memerlukan proses hidrolisa Ekonomis Kandungan nutrisi pada beberapa nira palm sugar Komponen Total gula (g/100 cc) Gula reduksi (g/100 cc) Protein (g/100 cc) Nitrogen (g/100 cc) pH (g/100 cc) Specific gravity Mineral sebagai abu (g/100 cc) Kalsium (g/100 cc) Fosfor (g/100 cc) Besi (g/100 cc) Vitamin C (mg/100 cc) Vitamin B1 (IU) Vitamin B komplek
Jumlah 10,93 0,96 0,35 0,056 6,7-6,9 1,07 0,54 Sedikit 0,14 0,4 13,25 3,9 Diabaikan
Sumber: Davis and Johnson (1987)
Fermipan (Saccharomyces cerevisiae) Karakteristik: • cepat berkembang biak • tahan terhadap suhu yang tinggi diatas 30oC pada pH 4,8 • mempunyai sifat stabil dan cepat mengadakan adaptasi
Keuntungan: • Hemat biaya • Mudah digunakan • Memiliki kemampuan fermentasi tinggi • Dosis pemakaian rendah
Zymomonas mobilis termutasi A3 Karakteristik: • Tahan pada pH rendah antara 4-5 • Morfologi lebih besar dengan gerakan lebih sedikit • Fase adaptasi kurang lebih 3 jam • Tahan pada suhu tinggi 50oC (Alfena ,2008) Kelebihan dibandingkan Saccharomyces cerevisiae: • Produksi biomass lebih rendah • Tidak perlu mengontrol kelebihan oksigen selama proses fermentasi • Yield etanol yang dihasilkan lebih tinggi • Waktu fermentasi yang lebih singkat • Laju metabolisme dari gulanya lebih tinggi (Bai,2008)
Karaginan • Getah rumput laut dari hasil ekstraksi rumput laut merah dengan menggunakan air panas (hot water) atau larutan alkali pada temperatur tinggi (Glicksman 1983). • Mampu membentuk gel dalam air dan bersifat reversible • Sensitif terhadap ion kalium dan membentuk gel kuat dengan adanya garam kalium • Viskositas : 5 - 800 cPs
Keuntungan Immobilisasi Sel
•
Densitas sel yang tinggi pd setiap unit bioreaktor sehingga produktifitas tinggi
•
Sel yang terimobilisasi dapat digunakan kembali
•
Suatu proses kontinyu yang mungkin dioperasikan akan melewati nominal rate washout
•
Pemisahan yang mudah dari biokatalis dan fase liquid dari produk yang diinginkan sehingga akan memperkecil biaya pemisahan
•
Meningkatkan toleransi atau perlindungan pada sel dari inhibisi produk
Penelitian Terdahulu W. Grote, K.J Lee dan P.L Rogers (1980), •sugar cane juice Zymomonas mobilis Ca-Alginat dan K-Karaginan PH = 5 ; T= 30oC Produktivitas 53 gr/L.h pada k-karaginan
Cazetta ML, Celligoi MAPC, Buzato JB and Scarmino IS, (2007) Zymomonas mobilis, Feed tetes tebu molasses Kondisi gula 200 gL-1 menghasilkan total pengurangan glukosa optimum di molases
M. Minier dan G. Goma, (1982) Solven dodecanol,suhu 35C Saccharomyces cerevisiae Produksi etanol 0,85 g/L.h, konvensional 0,22 g/L.h
Yekta Goksungur, Neze Zorlu, (2001) suhu 30°C rate larutan 0,22 h-1 beet molases 10,90% glukosa total Yield 82,9%, etanol 4,65%
Argyrios Margaritis, Pramod K.Bajpai dan J Blair Wallace, (1981) zymomonas mobilis Ca-Alginat Rate dilution : 0,4 jam-1 - 3,9 jam-1
Produktivitas 116 g/L.h
Agustinus Eka P dan Amran Halim (2009) •Nira Siwalan, fermipan •Yield 48,6% dengan persen strater 15%
Hou-Chieh dan Fang.,2007 •Single stage, double stage CSTR •Yield tertinggi pada recycle 60% dengan 98%
Richard D. Offeman, Serena K.Stephenson, Diana Franqui, Jessica L.Cline, George H. Robertson, William J. Orts (2008) Solven 1-octanol, 1-dodecanol, 2-hexyl 1decanol 1-octanol etanol 7%, konsumsi gula 34%
Ayu Ratna Permanasari dan Ririn Indriani A.R (2012) Zymomonas mobilis,molasses Solven amyl alcohol, recycle ratio 0%,50%,60%,70%,80% Amyl alcohol bersifat toxic Yield 32,58% Produktivitas 192, 15 g/L.h
Tahapan Proses Pengembangan Kultur Pretreatment Nira Siwalan Pembuatan Immobilisasi Sel karaginan Proses fermentasi ekstraktif (dengan dan tanpa recycle) Pengukuran konsentrasi gula reduksi sisa dan konsentrasi etanol
Skema alat Percobaan Tanpa recycle
Skema alat Percobaan Dengan recycle
Hasil Penelitian
• Pengaruh Jenis Mikroorganisme terhadap Performa Fermentasi Ekstraksi Dalam Packed Bed Bioreactor • Pengaruh Jenis Mikroorganisme dan Rasio Recycle terhadap Yield dan Konsentrasi Etanol yang Dihasilkan • Pengaruh Jenis Mikroorganisme dan Rasio Recycle terhadap Produktivitas Etanol yang Dihasilkan
Pengaruh
Jenis
Mikroorganisme
terhadap
Fermentasi Ekstraksi Dalam Packed Bed Bioreactor
Performa
Pengaruh
Jenis
Mikroorganisme
terhadap
Fermentasi Ekstraksi Dalam Packed Bed Bioreactor
Performa
Pengaruh Jenis Mikroorganisme dan Rasio Recycle terhadap Konsentrasi Etanol yang Dihasilkan
Pengaruh Jenis Mikroorganisme dan Rasio Recycle terhadap Yield Etanol yang Dihasilkan
Pengaruh Jenis Mikroorganisme dan Rasio Recycle terhadap Produktivitas Etanol yang Dihasilkan
Kesimpulan
•
Proses fermentasi ektraktif tanpa recycle menggunakan Saccharomyces cerevisiae memberikan hasil produktivitas dan yield etanol yang lebih baik jika dibandingkan dengan Zymomonas mobilis termutasi yaitu sebesar 17,31 g/L.jam dan 5,33%
•
Produktivitas dan yield etanol dengan proses fermentasi ekstraktif dengan sistem recycle 50% dari rafinat menggunakan Zymomonas mobilis termutasi adalah yang terbaik yaitu sebesar 161,02 g/L.jam dan 33,63%
