PENGARUH RECYCLE RATE DAN KONSENTRASI ALGINAT TERHADAP PRODUKTIVITAS ETANOL DENGAN PROSES FERMENTASI-EKSTRAKTIF

Seminar Teknik Kimia

Soehadi Reksowardojo ISSN 0854-7769 © 2007 http://www.che.itb.ac.id/stksr

PENGARUH RECYCLE RATE DAN KONSENTRASI ALGINAT TERHADAP PRODUKTIVITAS ETANOL DENGAN PROSES FERMENTASI-EKSTRAKTIF Tri Widaja1) dan Kusno Budhikarjono2) 1)

Laboratorium Teknologi Biokimia

2)

Laboratorium Perpindahan Masa dan Panas

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri-ITS Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya, 60111 Telp. 0315946240 Email Address: [email protected]

Abstrak: Etanol merupakan salah satu produk dari proses fermentasi. Salah satu cara untuk mendapatkan etanol adalah melalui proses fermentasi molases yang dilanjutkan ekstraksi dengan recycle. Produksi etanol dari molases secara fermentasi menggunakan yeast Saccharomyces cereviceae dalam fermentor kontinyu. Akan tetapi, proses bioteknologi yang umumnya melibatkan penggunaan sel identik dengan permasalahan produktivitas rendah karena produk dapat menjadi racun bagi mikroorganisme. Fermentasi Ekstraktif merupakan salah satu cara untuk meningkatkan priduktivitas dan yield etanol. Untuk mendapatkan produktivitas etanol yang tinggi disertai kualitas yang tinggi pula, perlu dikaji suatu eksperimen proses fermentasi secara kontinyu menggunakan yeast Saccharomyces cereviceae dengan Immobilized Cell dalam Ca-Alginate di dalam Bioreactor Packed-bed. Penelitian ini dilakukan dengan mengubah konsentrasi Alginat cell dan laju alir recycle feed di dalam Bioreactor Packed-bed terhadap kadar etanol, produktivitas, dan yield etanol. Selain itu juga diteliti pengaruh resirkulasi substrate untuk menaikkan konsentrasi etanol dan penurunan gula tersisa pada aliran efluent. Konsentrasi awal gula dicoba pada kadar 107 g/l, sedangkan konsentrasi Alginat cell yang digunakan, masing-masing 2%, 4%, dan 8%w/v, serta laju alir recycle feed pada 1 ml/menit, 3 ml/menit, dan 4,5 ml/menit. pH dalam bioreactor dikondisikan antara 4-5 yang sesuai dengan suhu optimal bagi Saccharomyces cereviceae dan temperatur mengikuti ruangan yaitu 300C. Hasil penelitian ini akan dibandingkan dengan proses batch untuk konsentrasi gula awal yang sama (107 g/l). Dari hasil eksperimen proses fermentasi secara batch dengan kadar glukosa feed (10%v/v) atau kadar gula 107 g/l dengan lama proses 72 jam, diperoleh hasil bahwa konsentrasi etanol yang

Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 27

2

dihasilkan adalah 25,32 g/l atau 3,21% (v/v), dengan yield 23,67%, gula terkonversi 46,50% dan laju produktivitas etanol 1,80 g/l.jam. Sedangkan dengan teknik proses fermentasi ekstraktif secara kontinyu menggunakan immobilisasi sel dalam Ca-Alginat, diperoleh hasil bahwa dengan rate feed recycle paling kecil, 1 ml/menit, dan konsentrasi Alginat 4%, kadar etanol, produktivitas, dan yield etanol yang paling baik dibandingkan dengan perlakuan yang lain, masing-masing sebesar: 58,17 g/l, 116,35 g/l.jam, dan 54,37%. Dari kedua teknik fermentasi tersebut dapat dikatakan bahwa proses fermentasi kontinyu dengan immobilisasi sel akan memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan fermentasi batch.

Key Words: Fermentasi, fermentasi-ekstraktif, molases, immobilisasi sel, Ca-alginate, dan Sacchromyces cereviceae

Pendahuluan Molases merupakan cairan produk samping pabrik gula yang tidak dapat dikristalkan dari proses pemisahan di centrifuge, masih mengandung kadar gula cukup tinggi yaitu sekitar 55%. Salah satunya molases masih dapat diolah menjadi produk etanol. Penggunaan etanol dalam pengolahan bahan pangan dan pembuatan produk pangan harus dibatasi dikarenakan masalah keamanannya dan segi kesehatannya. Sebagai bahan organik, alkohol berperan pada proses pengolahan pangan, dan penggunaannya alkohol dibatasi deengan konsentrasi pada produk akhir tidak lebih dari 0,1%, seperti; penggunaan kadar alkohol dibawah 1% adalah beberapa produk pangan seperti roti (0,3%), kecap asin Jepang (1%), dan cuka (dibawah 1%). Molases dengan kandungan gula sekitar 40-50% dan sejumlah asam amino serta mineral, dapat diolah menghasilkan etanol melalui proses fermentasi dengan bantuan yeast Saccharomyces cereviceae. Dari tiap ton tebu yang digiling, dihasilkan tetes sekitar 40-45 kg, proses lebih lanjut terhadap setiap ton tetes mampu menghasilkan 270-300 kg etanol dengan tingkat kemurnian 96%. Etanol berkadar 95% dapat dihasilkan dari fermentasi molases, akhir-akhir ini difokuskan pada penyediaan bahan bakar alternatif biopremium. Biasanya etanol diproduksi dengan menggunakan proses fermentasi batch, tetapi pada proses ini memiliki kendala dalam mendapatkan produktivitas etanol yang lebih tinggi. Pada keadaan ini etanol akan menjadi racun terhadap ragi, akibatnya produktivitas etanol terhambat. Sehingga perlu dicari suatu alternatif proses untuk mendapatkan etanol dengan produktivitas yang tinggi dari molases tanpa harus meracuni ragi adalah melalui proses fermentasi etanol dari molases dengan immobilisasi sel CaAlginat dalam Bioreactor Packed-bed secara kontinyu yang dilanjutkan proses ekstraksi untuk meningkatkan kemurnian etanol.


3

Immobilasi Sel dan Kombinasi Proses Ekstraksi Immobilisasi sel adalah suatu proses untuk menghentikan pergerakan dari molekul enzim atau sel yang ditahan pada tempat tertentu dalam suatu ruang reaksi yang digunakan sebagai katalis. Immobilisasi merupakan katalis makroskopik yang ditahan di dalam reaktor, oleh karenanya tidak dieprlukan penggantian sel hal ini berarti dapat digunakan berulang kali (reuse biocatalyst). Metode immobilisasi sel meliputi berbagai cara, yaitu: cara fisik meliputi penjebakan atau pembungkusan dengan gel alginat, cara kimia meliputi teknik pengikatan pada bahan pendukung melalui ikatan-ikatan ionik, kovalen, dan ikatan silang (cross linking).

Gambar 1. Immobilisasi sel degan penjebakan di dalam alginat bed Proses pembuatan bed calsium alginat terkait dengan proses immobilisasi sel telah disajikan pada Gambar 1. Dimana awalnya larutan diberi biakan sel selanjutnya larutan tersebut diteteskan kedalam larutan CaCl2 2% dan mengalami gellation selama 15 menit, setelah bed terbentuk dan terisi sel yang telah terjebak di dalam gel tersebut kemudian dicuci dengan menggunakan air selama 30 menit. Setelah pencucian dilanjutkan dengan merendam didalam larutan Al2(SO4)3 selama 30 menit guna menghilangkan sisa kelebihan Ca (James et al., 1986). Salah satu kendala produksi etanol proses fermentasi konvensional adalah dikarenakan energi yang dibutuhkan dalam proses pemisahan (destilasi) sangat besar terutama jika feed mempunyai konsentrasi yang rendah. Pada produk dengan konsentrasi tinggi umumnya proses pemisahan dilakukan degan destilasi azeotrop merupakan masalah utama karena dalam proses ini dibutuhkan tambahan proses azeotropic atau extractive distilasi untuk menghasilkan produk etanol yang tinggi. Guna mengatasi masalah tersebut digunakan suatu alternatif proses yaitu fermentasi yang dilanjutkan dengan ekstraksi. Minier dan Goma (1981), meneliti etanol dengan proses ekstraksi-fermentasi dimaan dalam proses ekstraksi liquid-liquid inhibitor produk fermentasi diambil dengan menggunakan solvent berupa dodecanol. Fermentasi etanol dicapai pada suhu 350C menggunakan Saccharomyce cereviceae. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa total produksi etanol sebesar 0,85 g/l.h, dibanding menggunakan konvensional fermentasi hasil yang terbentuk hanya sebesar 0,27 g/l.h.


4

Metode Penelitian

Tahapan pelaksanaan penelitian • Pretreatment Molases Sebelum digunakan sebagai bahan baku untuk proses fermentasi, molases yang diperoleh dari pabrik gula mempunyai kadar gula sebesar 50% sehingga perlu dilakukan pengenceran dengan aquadest. Selanjutnya molases dibersihkan dari kotoran dengan menyaringnya kemudian menambahkan H2SO4 untuk mengendapkan CaSO4 dan mengontrol pH, setelah itu disterilisasi dalam autoclave. • Sterilisasi Medium disterilkan di dalam autoclave pada suhu 1210C selama lebih kurang 15 menit, kemudian mendinginkannya sampai suhu kamar dan menyaringnya kemabli untuk menghilangkan endapan. • Pembuatan Starter Melakukan inokulasi degan memasukkan satu ose yeast Saccharomyces cereviceae ke dalam 10 ml Potato Dextrose Broth (PDB). Inokulasi dilakukan pada suhu 300C selama 24 jam, kemudian dibiakkan dimana 10 ml inokulum ditambahkan ke dalam 90 ml PDB untuk membentuk inokulum 100 ml, dilanjutkan inkubasi di dalam shaker inkubator pada suhu 300C dan 250 rpm selama 24 jam. Memindahkan 100 l inokulum pada 100 ml media substrat dengan kadar gula 10% dalam molases. Menginkubasikan selama 3 jam dengan kondisi yang sama. • Pembuatan Media Substrat Melarutkan 16,35 gram yeast ekstrak, 5,84 gram (NH4)2SO4, 2,34 gram KH2PO4, 0,7 gram MgSO4.7H2O, 13,23 gram Na2HPO4, 0,245 gram CaCl2, 15 gram glucose, ke dalam 100 ml larutan molases. Selanjutnya mensterilkan media substrat ke dalam autoclave pada suhu 1210C selama lebih kurang 15 menit. • Proses Ekstraksi Proses ekstraksi ini merupakan kelanjutan dari proses fermentasi dengan immobilisasi sel yang terjadi dalam fermentor packed bed, broth hasil fermentasi dialirkan ke dalam kolom ekstraksi kemudian dikontakkan dengan solvent Amyl Alkohol. Hasil Ekstrak dianalisa dengan refraktometer untuk mengetahui indeks bias dan setelah didapatkan kondisi steady, dianalisa dengan GC (Gas Chromatography) untuk mengetahui kadar etanolnya.


5

Set Up Peralatan Penelitian Set-up peralatan penelitian tentang Produksi Etanol dengan Kombinasi Proses Fermentasi-Ekstraksi secara kontinyu dengan Recycle disajikan seperti pada Gambar 2 dibawah ini:

Dalam penelitian ini sebagai substrart digunakan molasses dengan konsentrasi 10%(v/v),sedangkan mikroba yang digunakan adalah jenis Saccharomyces cereviceae yang dikondisikan pada pH antara 45.Dari penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh peneliti diperoleh berat alginat dan laju alir feed yang optimal masing-masing adalah 250 gram dan 1,5 ml/menit. Peubah penelitian dilakukan pada konsentrasi alginat 2%,4% dan 8%. Sedangkan laju alir recycle feed yang digunakan adalah 1ml/menit, 3ml/menit dan 4,5 ml/menit

Hasil dan Pembahasan • Hasil Penelitian Proses Fermentasi Immobilisasi Sel secara Kontinyu Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, pada proses fermentasi ekstraktif dengan menggunakan immobilisasi sel secara kontinyu (dengan recycle) ini, dapat diketahu bahwa semakin kecil rate feed recycle yang digunakan maka kadar, produktivitas, dan yield etanol yang dihasilakn justru semakin meningkat. Laju alir recycle feed yang digunakan dalam penelitian ini adalah 1 ml/menit, 3 ml/menit, dan 4,5 ml/menit dan diperoleh kadar etanol, secara berurtan masing-masing: untuk konsentrasi alginat 2% adalah 12,98 g/l, 10,71 g/l, dan 9,57 g/l; untuk konsentrasi alginat 4% adalah 58,17 g/l, 54,65 g/l, dan 49,18 g/l; serta untuk konsentrasi alginat 8% adalah 46,63 g/l, 34,18 g/l, dan 16,37 g/l. Hal tersebut dikarenakan dengan semakin kecil laju alir recycle menyebabkan waktu tinggal molases maupun rafinat yang direcycle dalam fermentor akan semakin lama, sehingga proses konversi gula menjadi etanol akan semakin besar. Hasil percobaan disajikan pada Tabel 1 sebagai berikut:


6

Tabel 1. Hasil Percobaan Proses Fermentasi Ekstraktif Immobilisasi Sel secara Kontinyu Konsentrasi

Laju alir

Kadar

Konsentrasi

Produktivitas

Alginat

recycle

Etanol

Etanol

Etanol

Yield

(%w/v) 2%

(ml/menit) 1

(%) 1,64

(g/l) 12,98

(g/l.jam) 25,97

(%) 12,13

3

1,35

58,17

116,34

54,36

4,5

1,21

46,63

82,29

43,58

1

7,37

10,71

16,06

10,01

3

6,92

54,65

54,65

51,07

4,5

6,23

34,18

23,30

31,94

1

5,91

9,57

14,35

8,94

3

4,33

49,18

35,98

45,96

4,5

2,07

16,37

11,16

15,30

4%

8%

Produktivitas etanol, sama seperti kadar etanol, juga berbanding terbalik dengan laju alir recycle. Semakin tinggi laju alir recycle maka produktivitas etanol yang dihasilkan memiliki kecenderungan menurun.Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan rate 1 ml/menit, 3 ml/menit, dan 4,5 menit, didapatkan masing-masing produktivitas etanol secara berurutan: untuk konsentrasi alginat 2% adalah 25,97 g/l.jam, 116,34 g/l.jam, dan 82,29 g/l.jam; untuk konsentrasi alginat 4% adalah 16,06 g/l.jam, 54,65 g/l.jam, dan 23,30 g/l.jam; serta untuk konsentrasi alginat 8% adalah 14,35 g/l.jam, 35,98 g/l.jam, dan 11,16 g/l.jam. Pada penelitian ini, yield juga dipengaruhi laju alir feed recycle, dengan laju alir yang semakin kecil telah didapatkan yield yang semakin besar. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan laju alir recycle 1 ml/menit, 3 ml/menit, dan 4,5 ml/menit, diperoleh yield masing-masing: untuk konsentrasi alginat 2% adalah 12,13%, 54,36%, dan 43,58%; untuk konsentrasi alginat 4% adalah 10,01%, 51,07%, dan 31,94%; serta untuk konsentrasi alginat 8% adalah 8,94%, 45,96%, dan 15,30%. Hubungan antara laju alir recycle dengan kadar etanol, produktivitas, dan yield dapat disajikan pada Gambar 3. Dari ketiga gambar diatas, dapat dilihat pula bahwa dengan konsentrasi alginat yang berbeda-beda, yaitu 2%, 4%, dan 8%, hasil paling baik adalah pada laju alir recycle terkecil yaitu 1 ml/menit.


7

Gambar 3. Hubungan antara laju alir recycle terhadap kadar etanol, produktivitas, dan yield etanol • Hasil Penelitian Proses Fermentasi Immobilisasi Sel yang dilanjutkan dengan Ekstraksi menggunakan Recycle feed pada perubahan konsentrasi alginat Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, diperoleh data bahwa konsentrasi alginat 4% merupakan konsentrasi maksimum atau dengan kata lain merupkan konsentrasi paling baik yang dapat digunakan untuk menghasilkan etanol dengan kadar yang tinggi. Begitu juga dengan produktivitas dan yield etanol yang dihasilkan, pada konsentrasi alginat 4%, kesemuanya merupakan hasil yang paling tinggi dibandingkan dengan konsentrasi 2% dan 8%. Awalnya kecenderunganannya akan naik, akan tetapi saat konsentrasi alginat melebihi 4% (%w/v), kadar, produktivitas, maupun yiekd etanol yang dihasilkan akan cenderung menurun. Hasilnya sesuai dengan yang ditampilkan pada Gambar sebagai beikut:

Gambar 4. Hubungan antara konsentrasi alginat terhadap kadar etanol, produktivitas, dan yiled etanol


8

Dari ketiga Gambar 4 dapat diketahui bahwa pada konsentrasi alginat 4%, baik kadar, produktivitas, maupun yield etanol yang dihasilkan akan mencapai maksimum. Kadar etanol paling tinggi yang diperoleh yaitu sebesar 58,17 g/l yang terjadi pada laju alir recycle 1 ml/menit konsentrasi alginat 4%. Sedangkan produktivitas tertinggi yang diperoleh sebesar 116,34 g/l.jam yang terjadi pada laju alir recycle 1 ml/menit juga dengan konsentrasi alginat 4%, dan yield etanol tertinggi sebesar 54,36% yang terjadi para laju alir recycle 1 ml/menit dan konsentrasi alginat 4%. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan Yekta dan Zorlu, (2000), dengan konsentrasi NaAlginat 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, dan 3%, produksi etanol tertinggi/maksimum dicapai pada konsentrasi alginate cell 2% yaitu sebesar 4,62%. Konsentrasi diatas 2%, produksi etanol cenderung mengalami penurunan dan yang paling rendah adalah pada saat konsentrasi 3% (%w/v). Penurunan tersebut dimungkinkan terjadi karena efisiensi difusi yang rendah dari bed. Sedangkan pada penelitian yang dilakukan oleh Aires dan Cabrall, 1986, menggunakan k-carrageenan sebagai cell penjebak yeast dengan konsentrasi 3.5% dan 4.5% (%w/v), dengan kadar gula feed 400 g/L, didapatkan bahwa hasil yield etanol juga cenderung menurun, masing-masing 0,37 dan 0.40. Penurunan dimungkinkan etanol terserap oleh matriks gel yang mengkontribusi pada penuruan dalam efek inhibitory etanol dan produksi etanol oleh yeast cell diserap ke immobilized cell. Dari percobaan yang dilakukan, baik kadar etanol, produktivitas etanol, maupun yield etanol, pada konsentrasi alginat cell yang melebihi 4%, nilainya memiliki kecenderungan menurun, hal ini sesuai yang didapat dengan penelitian sebelumnya (Yekta dan Zorlu, 2000).

Perbandingan Proses Fermentasi Batch dengan Proses Fermentasi-Ekstraksi Kontinyu Pada fermentasi secara batch untuk fermentasi etanol terjadi kendala yaitu produktivitas etanol rendah. Rendahnya produktivitas etanol karena pada kondisi tertentu etanol yang dihasilkan akan menjadi inhibitor, yang akan meracuni mikroorganisme sehingga mengurangi aktivitas enzim. Pada fermentasi batch didapat kadar etanol 25,33 g/L atau 3,21%v/v degan yield 23,67%, gula terkonversi 46,50% dan produktivitas 1,79 g/L.j pada waktu fermentsi 72 jam. Sedangkan dengan teknik fermentasi ekstraktif secara kontinyu (dengan recycle) menggunakan immobilisasi sel, dengan kondisi konsentrasi molases mengandung 10%v/v glukosa, diperoleh hasil, bahwa pada laju alir recycle 1 ml/menit dan konsentrasi alginat 4%, kadar etanol sebesar 58,17 g/l, produktivitas etanol sebesar 116,34 g/l.jam, dan yield 54,36%.

Kesimpulan Dari eksperimen proses fermentasi ekstraktif secara kontinyu dengan menggunakan immobilisasi sel, diperoleh hasil sebagai berikut: 1. Laju alir feed recycle dan konsentrasi alginat berpengaruh terhadap kadar, produktivitas, maupun yiled yang dihasilkan. Semakin kecil laju alir recycle yang digunakan, hasilnya pun akan semakin baik, dimana dalam percobaan laju alir recycle 1 ml/menit akan memberikan hasil yang paling baik untuk masing-masing konsentrasi alginat, yaitu sebesar 12,98 g/l untuk 2%, 58,17 g/l untuk 4%, dan 46,63 g/l untuk 8%. Sedangkan produktivitasnya, masing-masing adalah 25,97


9

g/l.jam, 116, 34 g/l.jam, dan 82,29 g/l.jam. Untuk yield etanol, sebesar 12,13%, 54,36%, dan 43,58%. 2. Konsentrasi alginat 4% merupakan konsentrasi maksimum yang dapat digunakan untuk menghasilkan etanol dengan kadar, produktivitas, dan yield yang tinggi. 3. Fermentasi Ekstraktif secara kontinyu menggunakan immobilisasi sel ini memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan proses fermentasi batch.

Daftar Pustaka 1. Bailey, James E. dan Ollis, David F. Biochemical Engineering Fundamentals, 1986, Mc Graw-Hill Inc, New York. 2. Goksungur, Yekta. Nese Zorlu, Production of Ethanol From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreaktor. Turkey, 2000. 3. Aires, M. R. and Cabral, J., (1987). Production of Ethanol by Immobilized Sacharomyces Bayanus in an Extractive-Fermentation System, J Biotechnology and Bioengineering, 29, page:1097-1104. 4. Minier, M, and Goma, G, Ethanol Production by Extractive Fermentation, 1981, Journal Biotechnology and Bioengineering, 34, 1565-1579. 5. Yekta, G. dan Zorlu, N, Production of Ethanol From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreakto, 2000, Journal of Turkey.

PENGARUH RECYCLE RATE DAN KONSENTRASI ALGINAT TERHADAP PRODUKTIVITAS ETANOL DENGAN PROSES FERMENTASI-EKSTRAKTIF

Recommend Documents