MAKALAH SEMINAR NASIONAL SOEBARDJO BROTOHARDJONO
“ Pengolahan Sumber Daya Alam Dan Energi Terbarukan “
ISSN 1978 - 0427
Surabaya, 18 Juni 2008
PENINGKATAN PRODUKTIVITAS ETANOL DENGAN TEKNIK IMMOBILISASI SEL CA-ALGINAT MENGGUNAKAN ZYMOMONAS MOBILIS DALAM BIOREAKTOR PACKED – BED Tri Widjaja, Mulyanto Nurlaili Humaidha, dan Dian Nur Fauzi A. Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Telp. (031) 5924448; Fax. : (031) 5999282 e-mail :
[email protected]
Abstrak Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perubahan parameter teknik immobilisasi sel Ca-alginat dalam bioreaktor kontinyu packed bed guna mendapatkan informasi tentang karakteristik kinerja sistem agar diperoleh produktivitas etanol yang tinggi dari molases oleh bakteri Zymomonas mobilis yang ditinjau dari yield etanol yang lebih besar dan laju produksi yang tinggi. Fermentasi berlangsung pada suhu 300C, pH 4, konsentrasi glukosa masing –masing 107 g/l (10%v/v), 85,6 g/l (8%v/v), rate feed 2 ml/menit di dalam fermentor ditambahkan Ca-alginat masing-masing 4%, 6%, 8% w/v untuk melindungi bakteri yang ada di dalamnya, kemudian hasilnya diekstraksi dengan menggunakan solvent amyl alkohol. Etanol yang dihasilkan dari fermentor dan ekstraktor dihitung kadarnya dengan menggunakan Kromatografi Gas (GC). Untuk mengetahui peningkatan produktivitas etanol teknik immobilisasi Ca-alginat proses fermentasi ekstraksi, juga dilakukan penelitian produksi etanol secara batch dengan kondisi proses yang sama. Dari hasil penelitian proses fermentasi secara batch dengan lama proses 50 jam, diperoleh hasil bahwa dengan konsentrasi glukosa 10%, kadar etanol 7,39 g/l,dan produktivitas etanol 0.205 g/l.jam yang paling baik dibandingkan dengan kadar glukosa 8%. Sedangkan dengan teknik fermentasi ekstraksi secara kontinyu menggunakan immobilisasi sel Ca-alginat, diperoleh hasil bahwa dengan rate feed 2 ml/menit, dengan konsentrasi glukosa 10 %, dan konsentrasi Ca-alginat 6 % w/v, mempunyai kadar kadar etanol, produktivitas, dan yield etanol yang paling baik dibandingkan dengan perlakuan yang lain, masing-masing sebasar 53,65 g/l, 12,88 g/l.jam., dan 50,14 %. Dari kedua teknik fermentasi tersebut, fermentasi ekstraktif secara kontinyu menggunakan immobilisasi sel memberikan hasil lebih baik dibandingkan proses fermentasi batch. Kata kunci = Immobilisasi sel, Zymomonas mobilis, Etanol, Fermentasi, Ekstraksi.
PENDAHULUAN Minyak bumi dan gas bumi merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui yang suatu saat akan habis apabila dilakukan eksplorasi secara terus – menerus. Oleh karena itu perlu dilakukan dorongan terhadap teknologi yang bersumber dari energi alternatif yang berhubungan dengan produktivitas etanol yang mempunyai nilai ekonomis yang tinggi. Dalam peningkatan produktivitas etanol secara fermentasi digunakan bahan baku molases dengan memanfaatkan kemampuan mikroorganisme. Molases merupakan cairan produk hasil samping pabrik gula yang tidak dapat dikristalkan yang mempunyai nilai ekonomis. Adapun mikroorganisme yang digunakan untuk produksi etanol dalam penelitian ini adalah bakteri Zymomonas mobilis yangmemiliki toleransi suhu yang tinggi, kemampuan untuk mencapai konversi yang lebih cepat, lebih tahan terhadap kadar etanol yang tinggi yang dihasilkan pada proses fermentasi apabila dibandingkan dengan Saccaromices cerevisiae. Proses Fermentasi konvensional ini umumnya dijalankan dengan proses batch, sebagai upaya untuk memudahkan kontrol proses fermentasi dari kontaminasi mikroorganisme. Tetapi proses ini mempunyai kendala bahwa konsentrasi etanol yang dihasilkan sangat rendah karena produksi etanol yang terakumulasi akan meracuni mikroorganisme pada proses fermentasi.
D7 - 1
MAKALAH SEMINAR NASIONAL SOEBARDJO BROTOHARDJONO
“ Pengolahan Sumber Daya Alam Dan Energi Terbarukan “
ISSN 1978 - 0427
Surabaya, 18 Juni 2008
Beberapa penelitian tentang proses fermentasi kontinyu antara lain, Yekta Goksungur, 2001, Production of Ethanol from Beet Molases by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreaktor. Percobaan ini dilakukan untuk menaikan yields dan menurunkan kadar gula residu. Dimana temperature di jaga pada suhu 30°C, rate larutan 0,22 h-1. Maximum etanol (4,62%), yield teoritis (82,9%) dan volumetric productivity (10,16 gl-1h-1) didapat dari beet molasses yang mengandung 10,90% gula total dengan 2,0-2,4 mm diameter beads yang berasal dari larutan sodium alginate 2%. Sebagai perbandingan untuk rate larutan constant 0,22 h-1 untuk 25 hari, konsentrasi etanol (3,94%), yield teorities (70,7%) dan produktivity (8,67 gl-1h-1) di dapat didalam continuous stirred bioreactor. Christy, Lidia. 2007. Fermentasi Etanol dari Molases dengan Immobilisasi Sel Ca-Alginat di Packed Bed Bioreactor. Hasil Etanol terbaik pada rate 1,5 ml/menit dengan berat alginate 250 gram yieldnya sebesar 49,22%. Untuk meningkatkan produktivitas etanol yang disertai dengan kualitas yang tinggi, maka dilakukan percobaan dengan teknik fermentasi dari molases secara kontinyu menggunakan bakteri Zymomonas mobilis pada immobilisasi sel Ca-alginat dilanjutkan ekstraksi bioreaktor packed-bed. Kondisi tersebut di atas yang melatar belakangi penelitian Peningkatan Produktitivitas Etanol dari Molases dengan Teknik Immobilisasi Sel Ca-alginat menggunakan Bakteri Zymomonas mobilis dalam Bioreaktor Kontinyu Packed – Bed.
METODOLOGI Tahap pelaksanaan penelitian • Pretreatment Molases Sebelum digunakan, molases yang diperoleh dari pabrik gula yang mempunyai kadar 50% diencerkan dengan aquadest sesuai dengan variabel yang telah ditentukan. Selanjutnya molases dibersihkan dari kotoran dengan menyaring kemudian menambahkan H2SO4 untuk mengendapkan CaSO4 dan mengontrol pH, setelah disterilisasi dalam autoclave. • Pengembangan kultur Melarutkan 4 gram PDA dengan aquadest hingga volumenya 100 ml kemudian didihkan hingga semua agar melarut.dan memasukkan dalam tabung reaksi masing-masing 6 ml, menutup mulut tabung dengan kapas. Mensterilkan dalam autoclave pada suhu 121oC selama 15 menit, lalu mendinginkannya dengan posisi miring, setelah agar mengeras, mengambil biakan murni dengan kawat ose steril dalam incase. Menggoreskan kawat ose pada permukaan media agar yang baru dan menutup kembali dengan kapas kemudian menginkubasikan pada suhu 30oC. • Pembuatan Production Medium Mencampur 1 liter molases encer (10, 8 %v/v) dengan (NH4)2SO4 5 gram, KH 2PO4 1,5 gram, MgSO4.7H2O 0,5 gram, kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H2SO4 sampai pH 4. • Pembuatan Cell Immobilisasi Mencampur media nutrisi yaitu, gukosa 15 gram, (NH4)4SO4 18 gram, Na2HPO4 10 gram, KH2PO4 5 gram, MgSO4.7H2O 5 gram dan yeast ekstrak 1 gram + biakan, kemudian dimasukkan dalam inkubator shaker selama 36 jam. Mencampur 50 ml media nutrisi dengan 50 ml larutan Na-alginat 4%, 6%, dan 8%. Kemudian 100 ml campuran Alginat-Cell ditambahkan dalam 1000 ml larutan CaCl2 2%, hingga larutan tersebut berbentuk padat. Setelah 30 menit, padatan yang terbrentuk dicuci dengan 0,85 % NaCl untuk mengurangi kelebihan ion – ion. Untuk meningkatkan pertumbuhan cell, diinkubasi semalam di dalam production medium dengan shaking selama 24 jam. Padatan disimpan di dalam 2% yeast ekstrak pada temperatur 4oC sampai cell digunakan. • Proses Fermentasi Immobilisasi sel Ca-alginat yang terbentuk dimasukkan dalam tray dalam fermentor sesuai dengan konsentrasi yang telah divariabelkan. Molases steril yang telah divariabelkan (v/v) dialirkan dalam fermentor dengan rate sesuai variabel. Mengalirkan larutan hasil fermentasi (brooth) ke dalam kolom ekstraktor dan sebagian brooth dialirkan kembali ke fermentor (di-recycle). • Proses Ekstraksi Mengalirkan solvent ke dalam kolom ekstraktor untuk dikontakkan dengan brooth dari fermentor. Hasil ekstraksi dianalisa dengan refraktometer untuk analisa indeks bias dan setelah mencapai keadaan steady, sampel di analisa dengan GC (Gas Cromatogafi).
D7 - 2
MAKALAH SEMINAR NASIONAL SOEBARDJO BROTOHARDJONO
ISSN 1978 - 0427
“ Pengolahan Sumber Daya Alam Dan Energi Terbarukan “ Surabaya, 18 Juni 2008
Set-Up Peralatan Penelitian
Keterangan : 1 Molases 2 Fermentor 3 Ca-Alginat 4 Broth produk fermentor 5 Ekstraktor 6 Packed bed 7 Ekstrak 8 Solvent 9 Pompa peristaltik 10 Rafinat Gambar 1. Set-up Peralatan Produksi etanol Kombinasi Proses FermentasiEkstraksi secara Kontinyu
HASIL DAN KESIMPULAN SEMENTARA Dalam proses fermentasi pembuatan etanol, glukosa digunakan sebagai sumber energi dan sumber karbon. Konsentrasi glukosa yang digunakan yaitu 8%, dan 10% (%v/v). III.1 Fermentasi Konvesional ( secara batch ) Hasil proses fermentasi dapat dilihat pada tabel dan gambar dibawah ini. Tabel I. Hasil Pengamatan Fermentasi Dengan Konsentrasi Molases 10 % v/v Secara Batch Jam ke4 8 16 24 32 40 48 50
Jumlah Sel (sel/ml) 1,46E+06 1,96E+06 1,96E+06 2,00E+06 2,13E+06 2,54E+06 2,79E+06 3,29E+06
Sel Kering (g/10ml) 2,40E-04 5,50E-04 5,80E-04 9,00E-04 9,30E-04 9,80E-04 1,33E-03 2,51E-03
Kadar etanol g/L ) 1,43 1,86 3,08 4,23 6,77 6,96 7,34 7,39
Yield % 6,6E+00 8,4E+00 1,3E+01 1,8E+01 2,5E+01 2,5E+01 2,6E+01 2,3E+01
Produktivitas (g/L.J) 0,00 0,01 0,03 0,06 0,12 0,15 0,20 0,21
D7 - 3
MAKALAH SEMINAR NASIONAL SOEBARDJO BROTOHARDJONO
ISSN 1978 - 0427
“ Pengolahan Sumber Daya Alam Dan Energi Terbarukan “ Surabaya, 18 Juni 2008
Kadar Etanol (g/L).
Kadar Etanol Vs Waktu Pada Molases 10% 8 6 4 2 0 0
10
20
30
40
50
60
Waktu Fermentasi (Jam)
Gambar 2. Kadar Etanol (g/L) Vs Waktu Fermentasi (jam) Pada Molases 10 % Proses fermentasi berlangsung selama 50 jam pada kondisi anaerob fakultatif. Dari gambar 1 terlihat bahwa produksi etanol meningkat secara berkala seiring dengan bertambahnya waktu mulai jam ke-0 sampai jam ke-48. Pada jam ke-16 sampai jam ke-32 terjadi peningkatan kadar etanol yang cukup tinggi hal ini disebabkan karena bertambahnya jumlah sel Zymomonas mobilis yang sedang dalam tahap pertumbuhan atau dengan kata lain telah memasuki fase eksponensial. Dengan semakin bertambahnya jumlah sel tersebut maka Zymomonas mobilis yang akan memfermentasi glukosa akan semakin banyak, sehingga kadar etanol akan meningkat. Produksi etanol mulai mencapai kondisi steady state dimulai saat jam ke-48 dan berakhir pada jam ke-50 sehingga dapat dikatakan bahwa 50 jam adalah merupakan waktu maximal yang dicapai oleh Zymomonas mobilis untuk mengkonversi glukosa menjadi etanol. Untuk mendapatkan produktivitas etanol yang optimal dan efisien dengan cara konvesional (proses batch) memiliki kendala, karena pada konsentrasi tertentu etanol dapat meracuni bakteri, akibatnya dapat menghambat produktivitas pembentukan etanol. Guna mengatasi masalah tersebut digunakan suatu proses alternatif yaitu fermentasi yang dilanjutkan dengan ekstraksi III.2 Fermentasi Kontinyu Salah satu teknologi untuk mendapatkan etanol dengan produktivitas yang tinggi dari molases adalah melalui proses fermentasi etanol dengan teknik immobilisasi sel Ca-alginat dalam bioreaktor kontinyu packed bed. Pada proses fermentasi menggunakan immobilisasi cell yaitu penjebakan sel menggunakan Caalginat yang berfungsi menahan cell agar tidak terikut dalam aliran produk. Pada percobaan ini untuk mengetahui kedaan steady state dilakukan analisa indeks bias dengan menggunakan refraktometer dan setelah didapatkan kondisi steady, sampel dianalisa dengan GC (Gas Chromatography). Tabel II. Hasil Pengamatan Fermentasi-Ekstraksi Dengan Immobilisasi sel Ca-alginat Dalam Konsentrasi glukosa 8, 10 (% v/v).
Konsentrasi Glukosa (%) 8
10
Ca Alginat (%w/v) 4 6 8 4 6 8
Jumlah Bakteri (sel/mL) 1,13E+07 1,88E+07 1,85E+07 1,96E+07 2,81E+07 1,83E+07
Kadar Etanol (%) 0,052 0,053 0,039 0,066 0,068 0,053
Kadar Etanol (g/L) 41,03 41,82 30,77 52,07 53,65 41,82
Produktivitas (g/L.J)
Yield (%)
9,85 10,04 7,39 12,50 12,88 10,04
46,09 49,77 36,87 47,93 48,85 35,95
D7 - 4
MAKALAH SEMINAR NASIONAL SOEBARDJO BROTOHARDJONO
ISSN 1978 - 0427
“ Pengolahan Sumber Daya Alam Dan Energi Terbarukan “ Surabaya, 18 Juni 2008
Konsentrasi Etanol Vs % Ca- alginat pada Konsentrasi Glukosa 8,10(% v/v).
Kadar Etanol (g/L)
60 50 40 Molases 8%
30
Molases 10%
20 10 0 0
2
4
6
8
10
% Ca-alginat
Gbr 3. Kadar Etanol (g/L) Vs Konsentrasi Ca-alginat (%w/v) Pada Konsentrasi Glukosa 8, 10 (%v/v)
Dari masing-masing konsentrasi glukosa diperoleh kadar etanol terendah pada konsentrasi Caalginat 8% hal ini disebabkan terlalu pekatnya konsentrasi Ca-alginat yang mengakibatkan sulitnya moleses untuk difermentasi menjadi etanol karena terhalang oleh dinding immobilisasi sel Ca-alginat yang terlalu kuat. Pada konsentrasi Ca-alginat 4% didapatkan kadar etanol 41,03 dan 52,07 g/L hal ini disebabkan oleh kecilnya konsentrasi Ca-alginat yang mengakibatkan mudahnya inhibitor untuk masuk kedalam immobilisasi sel Ca-alginat yang dapat mengganggu proses fermentasi. Pada konsentrasi Ca-alginat 6% didapatkan kadar etanol tertinggi hal ini disebabkan oleh adanya konsetrasi Ca-alginat yang sesuai menyebabkan kestabilan ikatan antar molekul sehingga dapat menghasilkan kadar etanol yang optimum. Tidak dilakukan pada konsentrasi Ca-alginat 2% sebab pada konsentrasi tersebut tidak dihasilkan bentuk alginat yang sempurna (hancur) dan apabila dipaksakan untuk dioperasikan, maka dapat menghambat kinerja dalam kolom. Yield adalah perbandingan banyaknya produk yaitu dalam hal ini etanol dengan gula (substrat) yang digunakan Yield Etanol Vs % Ca- alginat pada Konsentrasi Glukosa 8,10(% v/v).
Yield Etanol (%)
60 50 40 Molases 8%
30
Molases 10%
20 10 0 4
6
8
% Ca-alginat
Gbr 4. Yield etanol (%) Vs Konsentrasi Ca-Alginat (%w/v) Pada Molases 8,10 (%v/v) Berdasarkan hasil percobaan proses fermentasi kontinyu diatas didapatkan yield terbesar pada konsentrasi Ca-alginat 6% sebesar 49,77 %. Produktivitas pada proses fermentasi dinyatakan sebagai gram produk per liter per jam. Produktivitas etanol pada umumnya dipengaruhi oleh aktivitas mikroorganisme. Pada penelitian ini digunakan konsentrasi Ca-alginat 4, 6, 8 (%w/v), hasil penelitian dapat dilihat pada gambar 6.
D7 - 5
MAKALAH SEMINAR NASIONAL SOEBARDJO BROTOHARDJONO
ISSN 1978 - 0427
“ Pengolahan Sumber Daya Alam Dan Energi Terbarukan “ Surabaya, 18 Juni 2008
Produktivitas Etanol Vs % Ca- alginat pada Konsentrasi Glukosa 8,10(% v/v).
Produktifitas Etanol (g/L.J)
14 12 10 8
Molases 8%
6
Molases 10%
4 2 0 0
2
4
6
8
10
% Ca-alginat
Gbr 5. Produktivitas etanol Vs Konsentrasi Ca-alginat (%w/v) Pada Molases 8,10 (%v/v) Berdasarkan hasil percobaan proses fermentasi kontinyu diatas didapatkan produktivitas etanol terbesar pada konsentrasi Ca-alginat 6% sebesar 12,88 g/L.J.
KESIMPULAN Berdasarkan percobaan, dapat diambil kesimpulan sementara: 1. Kadar etanol yang dihasilkan dari fermentasi kontinyu lebih baik dari fermentasi secara batch. 2. Produktivitas etanol yang dihasilkan dari fermentasi kontinyu labih baik dari fermentasi secara batch. Pada fermentasi kontinyu produktivitas sebesar 12,88 g/lt.J sedangkan pada fermentsi batch produktivitas sebesar 0,205 g/lt.J. 3. Konsentrasi Ca-Alginat dan pengenceran molases yang digunakan dapat berpengaruh terhadap etanol yang dihasilkan, dimana konsentrasi Ca-alginat 6 % w/v, pengenceran molases 10 % v/v merupakan konsentrasi maksimal yang akan menghasilkan etanol yang optimum. DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Allaq. 2008., “Fermentasi Ekstraktif Eksternal Etanol Secara Kontinyu”. Kumpulan Skripsi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Christy dan Maulidia. 2007. “Fermentasi Etanol dari Molases dengan Immobilisasi Cell Ca-alginat di Packed Bed Bioreactor”. Kumpulan Skripsi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Diah. 2007. “Konversi Biomass menjadi Etanol dengan Sistem Ekstraksi Liquid sebagai Biofuel”. Kumpulan Thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Goksungur, Yekta. Nese Zorlu, “Production of Ethanol From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreaktor”. Turkey, 2000. Ikasari, Milka Roh Utami, 2000. “Studi Kinetika Fermentasi Ethanol Dari Molases Dengan Menggunakan Zymomonas mobilis”. Kumpulan Skripsi ,Institut Teknologi Sepuluh November. Minier, M, and Goma, G, “Ethanol Production by Extractive Fermentation”, J. Biotechnology and Bioengineering, 34, 1565-1579 (1981). Ullmann’s. 2003, “Encyclopedia of Industrial Chemistry”. Vol. 12. Ed. 6. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co FgaA Ullmann’s. 2003, “Encyclopedia of Industrial Chemistry”.Vol. 34. Ed. 6. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co FgaA
D7 - 6
