Prosiding Tugas Akhir Semester Genap 2008/2009
SK - 01
PROFIL FERMENTASI SUKROSA MENJADI ETANOL MENGGUNAKAN Zymomonas mobilis YANG DIKOAMOBILKAN DENGAN EKSTRAK KASAR INVERTASE Dimas Ageng S*, Dr. Surya Rosa Putra MS.1 Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya ABSTRAK
Penelitian yang telah dilakukan ini berkaitan dengan koamobilisasi sel bakteri Zymomonas mobilis dan ekstrak kasar invertase dengan alginat untuk fermentasi etanol. Konsentrasi optimal alginat untuk mengamobil 1,005 x 1011 sel/mL bakteri Zymomonas mobilis dan 11,840 mg/mL ekstrak kasar invertase adalah 4 % (b/v). Fermentasi dilakukan dengan sukrosa 15 % temperatur ruang selama 120 jam. Jumlah etanol maksimum yang dihasilkan adalah saat fermentasi berlangsung selama 105 jam yaitu 7,628 % (90,040 % yield etanol bila dibandingkan dengan hasil teoritis), sedangkan laju pembentukan etanolnya adalah sebesar 0,692 g L-1 jam-1. Setelah lima kali pengulangan fermentasi, koamobil Zymomonas mobilis dan ekstrak kasar invertase masih memiliki aktivitas bakteri dan enzim berturut-turut sebesar 85,90 % dan 99,30 % dari aktivitas semula. Setelah penyimpanan selama 15 hari bersuhu 4 ºC, koamobil Zymomonas mobilis dan ekstrak kasar invertase kehilangan 19,232 % dan 1,27 % dari aktivitasnya. Kata kunci : Zymomonas mobilis, yield etanol, koamobilisasi, invertase ABSTRACT
Realization of this research is the experiment of coimmobilized crude invertase and Zymomonas mobilis cells on alginate matrix in order to produce ethanol. Zymomonas mobilis cells (1,005 x 1011 cells/mL) and invertase (11,840 mg/mL) were effectively immobilized on alginate beads concentration of 4 % (w/v). Medium 15 % of sucrose concentration had been fermented in ambient temperature for 120 hours. Fermentation yield ethanol with concentration (105 hours) of 7,628 % (90,040 % compared to the theoretical yield), while the ethanol production rate was 0,692 g L-1h-1. After five times of repeated batch fermentation, coimmobilized cells of Zymomonas mobilis and invertase still had activities of 85,90 % and 99,30 % (compared to initial activity). After 15 hours freezing storage in 4 ºC, the coimmobilized cells of Zymomonas mobilis and invertase have lost 19,232 % and 1,27 % of their activities. Keyword : Zymomonas mobilis, ethanol yield, coimmobilization, invertase.
PENDAHULUAN Banyak dari bahan bakar fosil mengakibatkan pencemaran bahkan bahan bakar alternatif bisa menyebabkan lebih banyak emisi gas rumah kaca dibandingkan dengan bahan bakar fosil, seperti solar atau bensin. Sebagai contoh adalah batubara cair, meski seringkali disebut-sebut sebagai bahan bakar alternatif pengganti bensin tanpa timbal serta bisa mengurangi ketergantungan terhadap impor minyak, ternyata secara nyata memberikan kontribusi terhadap pemanasan global sebesar 80 %. * Corresponding author Phone : +6285746000130, e-mail:
[email protected] 1 Alamat sekarang : Jur Kimia, Fak. MIPA, Institut Teknologi 10 Nopember, Surabaya. Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Studi melaporkan bahwa penggunaan bahan bakar bio yang telah dikembangkan, baik proses maupun teknologi produksinya, bisa secara nyata mengurangi polusi selain juga karena faktor ketersediaan sumber bahan bakar fosil yang semakin menipis. Etanol berfungsi sebagai penambah volume Bahan Bakar Minyak (BBM), peningkat angka oktan, dan sebagai sumber oksigen untuk pembakaran yang lebih bersih pengganti Metil Tersier-Butil Eter (MTBE) (Goksungur dan Zorlu, 2001). Perhatian tertuju pada penggunaan dari bakteria Gram-negatif Zymomonas mobilis untuk industri pembuatan etanol. Bakteri Zymomonas mobilis diyakini sebagai mikroorganisme paling ideal penghasil etanol karena memproduksi etanol
terbanyak, kemampuan untuk tumbuh secara anaerob, toleran terhadap etanol konsentrasi tinggi dan pH rendah.(Tripetchkul, 1992) Sukrosa merupakan gula meja yang dikonsumsi sehari-hari. Senyawa ini terkandung dalam gula tebu dan sebagian besar menjadi limbah industri gula. Komposisinya terdiri dari fruktosa dan glukosa dengan ikatan glukosiklik berupa jembatan oksigen antara C-1 dari glukosa dan C-2 dari fruktosa dimana kedua jenis gula ini selanjutnya disebut dengan gula invert. Gula invert adalah suatu campuran glukosa dan fruktosa yang ekuimolar. Gula yang banyak mengandung sukrosa dimanfaatkan sebagai salah satu bahan baku dalam hal penyediaan bioenergi selain polimer karbohidrat kompleks yang lain. Akan tetapi tahapannya tidak bisa langsung menjadi produk akhir tanpa pengubahan menjadi gula sederhana dalam hal ini adalah gula invert. Untuk mempercepat konversinya dibutuhkan sebuah biokatalis atau sering disebut dengan enzim. Enzim memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan katalis biasa. Selain dapat menghasilkan produk beribu kali lipat, enzim juga bersifat spesifik, selektif terhadap substrat tertentu dan lebih ekonomis. β – fructofuranoside fructohydrolase (EC 3.2.1.26) atau yang disebut sebagai invertase merupakan enzim penghidrolisis sukrosa yang menghasilkan gula invert. Organisme penghasil enzim ini beragam jenis tetapi yang paling memiliki kandungan baik intraseluler maupun ekstraseluler dan banyak ditemukan adalah jenis khamir Saccaromyces cerevisiae. Khamir ini mempunyai aktivitas invertase yang tinggi sehingga sukrosa dengan cepat diubah menjadi glukosa dan fruktosa untuk keperluan metabolismenya. Potensi besar karena di Indonesia merupakan salah satu negara penghasil gula yang besar dan keberadaan jenis khamir Saccaromyces cerevisiae yang mudah ditemukan dan mudah dikembangbiakkan sehingga memiliki peluang besar dalam hal penyediaan sumber energi hijau yang terbarukan. Fermentasi etanol dengan substrat sukrosa sebagai bahan utama menggunakan Zymomonas mobilis pada pH optimum (pH 5,5) telah dilakukan tetapi hanya menunjukkan produk akhir yang prosentasenya lebih kecil dari fermentasi dari glukosa. Berdasarkan teori bahwa sukrosa memiliki berat molekul yang lebih besar dari glukosa seharusnya menghasilkan etanol lebih besar, hal ini disebabkan karena terbentuknya produk samping levan dan sorbitol yang dapat menurunkan aktivitas dalam mengkonversi gula dalam menghasilkan etanol (Hani Soedjatmiko, 2009). Salah satu pengembangan yang dilakukan adalah dengan mengubah sukrosa menjadi gula invert (glukosa dan fruktosa) yang lebih baik dalam proses fermentasi karena produk samping terbentuk akibat kerja enzim sucrase intraseluler Zymomonas mobilis dalam menghidrolisa sukrosa. Cara ini diharapkan mampu menurunkan produk samping tanpa berpengaruh dalam menghasilkan produk akhir. Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Upaya untuk meningkatkan efisiensi fermentasi etanol diantaranya adalah dengan menerapkan sistem amobilisasi. Dengan sistem amobilisasi, sel dapat digunakan berulang dan kontinyu, meningkatkan rendemen hasil karena pertambahan biomassa diminimalisir, memudahkan pemisahan mikroba dari cairan fermentasi, produk lebih spesifik, meningkatkan stabilitas sel, serta kemudahan mengontrol dan menyeragamkan proses konversi. Gagasan mengenai penggabungan aktivitas mengolah sukrosa menjadi etanol dengan memadukan kerja enzim dan bakteri telah banyak dikembangkan saat ini. Umumnya kedua proses ini terpisah tetapi untuk tujuan lebih praktis maka dibuat perpaduan sehingga diharapkan tidak mengurangi efisiensi menuju produk akhir. Sistem amobilisasi yang bersamaan antara enzim dan sel yang terjebak dalam satu matriks pengamobil diterapkan dengan tujuan untuk merangkap kerja sebagai pengkonversi substrat sukrosa menjadi bahan utama dalam fermentasi etanol sekaligus melakukan fermentasi secara bersamaan secara terus-menerus sehingga tidak memerlukan 2 kali tahap untuk menghasilkan produk akhir etanol. Sistem yang demikian dinamakan dengan Koamobil invertase. Penelitian sebelumnya dilakukan oleh Kannan et al dan Gunasekaran et al yang melakukan fermentasi menggunakan koamobil strain mutan Zymomonas mobilis dan invertase. Mutan yang dipakai adalah Z. Mobilis yang sedikit memiliki enzim sucrase sehingga mampu meningkatkan produk akhir etanol tanpa pembentukan produk samping. Dalam penelitian tersebut peneliti hanya membandingkan konsentrasi sukrosa yang dipakai dalam beberapa variasi konsentrasi.. Namun peneliti tidak mengkarakterisasi pola fermentasi dari koamobil sel dan enzim pada satu macam konsentrasi sukrosa.. Pada penelitian ini akan dilakukan karakterisasi dari pola fermentasi etanol menggunakan koamobil Zymomonas mobilis dan ekstrak kasar invertase dengan alginat dari sukrosa serta menguji ketahanan koamobil pada penggunaan fermentasi secara berulang dan pengaruh akibat waktu penyimpanan koamobil terhadap durabilitas dalam produksi etanol. METODOLOGI PENELITIAN Alat dan Bahan Alat Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah gelas ukur, beaker gelas, erlenmeyer, labu ukur, termometer, tabung reaksi, pipet mikro, statif & klem, kuvet, homogenizer, pemanas oven suhu 400500C, ultrasonikator Misonix, laminary air flow, autoclave Tomy High Pressure Steam Sterilizer ES31, sentrifuge IEC CL 40R, peralatan destilasi dengan kolom vigreux kromatografi gas Shimadzu GC-14B, spektronik 20D, neraca analitik Mettler AE 200, pHmeter 510, shaker Thermoshake Gerhardt.
Bahan Bahan-bahan yang digunakan adalah kultur Zymomonas mobilis Jepang, Nutrient Agar (NA), glukosa 10 %, yeast extract 1,0 %, KH2PO4 0,1 %, (NH4)2SO4 0,1 % dan MgSO4.7H2O 0,05 %, sukrosa 15 %, (Tanaka, 1999), sodium alginat 2-5 % (w/v), CaCl2 0,25 M, larutan NaCl 0,85 %, reagen Somogyi Nelson A, Nelson B, dan Arsenomolibdat, larutan HCl 0,01 N, reagen Bradfod, gula pasir, ragi roti, K2Cr2O7, H2SO4, NaHCO3, dan aquades. METODOLOGI Preparasi Enzim Ekstrak Kasar Invertase Sebanyak 55 gram ragi dihomogenizer dengan 150 ml NaHCO3 selama kurang lebih 10 sampai 15 menit kecepatan 7500 rpm. Inkubasi dilakukan dalam pemanas oven suhu 40oC dan ditutup kasa dan alumunium foil selama 24 jam. Bubur kemudian diautolisa berkekuatan 16 rms selama 20 menit. Suspensi enzim disentrifuge 3500 rpm selama 15 menit pada suhu 5oC. Penentuan Kandungan Protein Ekstrak Kasar Invertase Sebanyak 1 ml enzim invertase diencerkan dengan aquadest sampai 10 ml. Hasil pengenceran diambil 7 ml dan ditambahkan 3 ml reagen Bradfod, lalu didiamkan selama 5 menit. Pembacaan absorbansi pada panjang gelombang maksimum. Nilai absorbansi disubstitusikan pada persamaan garis dari kurva standart protein. Pembuatan Media dan Biakan Media tumbuh bakteri menggunakan komposisi sebagai berikut : glukosa 100 g/L, yeast ekstrak 10 g/L, KH2PO4 1 g/L, MgSO4.7H2O 0,5 g/L, (NH4)2SO4 1 g/L ( Tanaka, et al.). pH 5,5 diatur dengan H2SO4 dan NaOH. Untuk media fermentasi glukosa diganti dengan sukrosa 15 % ( Gunasekaran et al ). Masing – masing bahan dilarutkan kemudian di autoklaf pada suhu 121 oC selama 20 menit. Zymomonas mobilis diinokulasikan sebanyak 2 ose dalam 10 ml media tumbuh pada ruang laminer flow. Kemudian diinkubasi dalam inkubator shaker dengan suhu kamar dan dishaker 125 rpm selama 18 jam. Inokulum tersebut diinokulasikan 10 % dalam media baru. Koamobilisasi dan Optimasi Konsentrasi Alginat Sebanyak 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; dan 0,6 gram sodium alginat dilarutkan dalam 9 ml air pH 5,5 dan diautoclave selama 5 menit suhu 1210C. Sebanyak 150 mL stok biomassa diambil dengan spatula besi steril dan dicampurkan kedalam larutan sodium alginat dingin dan ditambahkan 1 ml larutan akstrak kasar invertase. Campuran diambil dan diteteskan dengan pipet kedalam 40 ml larutan CaCl2 0,25 M pH 5,5 dan dikeraskan selama 2 jam. Butiran dicuci dengan larutan NaCl 0,85 M. Masing-masing koamobil difermentasikan selama 120 jam dan keberadaan Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
etanol diuji kualitatif untuk ditentukan konsentrasi pengamobil optimum. Pola Konsumsi Gula dan Produksi Etanol Selama Fermentasi Butiran koamobil optimum ditambahkan kedalamnya media fermentasi pH 5,5 sebanyak 100 ml. Waktu fermentasi selama 120 jam dimana pada 0, 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, dan 120 jam dilakukan analisa pola konsumsi gula, kadar gula residu, dan % etanol. Cairan fermentasi dipisahkan dengan butiran koamobil kemudian disentrifus. Pengaruh Penggunaan Koamobil pada Fermentasi Berulang terhadap Kadar Etanol Butiran koamobil digunakan berulang dalam fermentasi batch menggunakan media fermentasi pH 5,5 selama 120 jam. Setelah fermentasi pertama selesai, butiran alginat dipisahkan kemudian langsung ditambahkan kedalamnya media fermentasi yang baru untuk fermentasi berikutnya dengan kondisi yang sama. Perlakuan ini diulangi sebanyak lima kali dan dianalisis kadar gula residu dan kadar etanol yang dihasilkan pada setiap ulangan fermentasi. Pengaruh Waktu Penyimpanan terhadap Durabilitas Produksi Etanol Butiran koamobil disimpan selama 0, 3, 5, 7, 10, dan 15 hari tanpa penambahan substrat apapun (suhu 40C). Masing-masing kemudian difermentasikan kedalam 100 ml media fermentasi pH 5,5 selama 120 jam. Cairan fermentasi yang dihasilkan dianalisa kadar gula residu dan kadar etanol yang dihasilkan Analisa Cairan fermentasi disentrifugasi dan supernatan diambil 1mL dan diukur kadar gula residu dengan metode Somogyi - Nelson. Filtrat didestilasi dengan kolom Vigreux. Destilat diuji keberadaan etanolnya secara kualitatif dengan oksidator Kalium Dikromat. Destilat dianalisis dengan Kromatografi gas untuk menentukan kadar etanol. Jumlah bakteri dihitung dengan spektronik 20D dan hemacytometer HASIL DAN PEMBAHASAN Preparasi Enzim Ekstrak Kasar Invertase Isolasi enzim invertase diambil dari ragi roti sebanyak 55 gram dilarutkan kedalam 150 ml larutan NaHCO3 0.1 M dan diaduk hingga menjadi bubur ragi. Larutan sodium bikarbonat berfungsi sebagai pemecah sel ragi dengan melarutkan dinding dan membran sel. Bubur ragi dimasukkan ke dalam homogenizer pada 7500 rpm selama 15 menit untuk lebih menghomogenkan larutan dengan ragi. Bubur yang dihasilkan dituang ke dalam erlenmeyer, lalu mulut erlenmeyer ditutup dengan kapas yang sudah dibalut kasa-aluminium foil, pada mulut erlemeyer yang telah ditutup kasa-aluminium foil diberi lubang, fungsinya untuk mengurangi tekanan udara yang ada di dalam erlenmeyer sehingga adonan tidak terlalu mengembang. Inkubasi dilakukan pada suhu 400C
selama 24 jam. Proses ini berfungsi untuk mengelurkan enzim dari sel. Enzim invertase merupakan enzim intraseluler, sehingga untuk memperoleh ekstrak kasar dari enzim invertase dilakukan melalui teknik pemecahan sel dengan ultrasonikator, yaitu dengan menggunakan getaran ultrasonik pada kekuatan 16 rms selama 20 menit. Sel ragi pecah ditandai dengan timbulnya gelembung saat proses ultrasonifikasi. Enzim yang bercanpur dengan debris sel dilakukan pemisahan dengan disentrifuge selama 15 menit pada suhu 100C dengan kecepatan 3500 rpm. Proses ini berfungsi untuk memisahkan endapan berdasarkan berat jenisnya dimana dihasilkan 2 lapisan yaitu filtrat dan residu, filtrat berwarna kuning kecokelatan yang terbentuk didekantasi dan diperoleh supernatannya. Penentuan Kandungan Protein Ekstrak Kasar Invertase Enzim invertase ditentukan konsentrasi proteinnya dengan metode Bradford. Konsentrasi enzim yang terlalu pekat tidak dapat terbaca oleh spektrofotometer sehingga perlu dilakukan pengenceran. Suhu optimum terjadinya reaksi antara reagen Bradford dengan protein yaitu 250C karena panas berlebih akan menyebabkan denaturasi protein. Warna biru yang dihasilkan memiliki komplemen pada daerah dengan panjang gelombang antara 580595 nm (Khopkar, 1995). Larutan enzim encer diambil 7 ml dan ditambahkan 3 ml reagen Bradfod, lalu diinkubasi selama 5 menit. Setelah waktu inkubasi, absorbansi larutan enzim invertase bebas ditentukan pada panjang gelombang maksimum( λ maks = 595 nm) didapatkan nilai absorbansi yaitu 1,110. Nilai ini setara sebagai y pada persamaan kurva standart protein sehingga diperoleh konsentrasi enzim invertase yang terukur sebesar 828,853 µg/mL. Tabel 1. Kandungan Protein pada Ekstrak Kasar Invertase Inver‐ tase (mL) 1,00
Absor‐ bansi
1,110
Konsentrasi Protein Kandung (µg/mL) an Terukur Sebenarnya Protein (mg/mL) 828,853 11840,757 11,8407
Koamobilisasi Zymomonas mobilis dan Ekstrak Kasar Invertase Biomassa basah dari 150 mL stok kultur dicampur dengan 1 mL crude invertase dan 9 mL larutan sodium alginat steril diaduk hingga homogen. Butiran alginat dibuat dengan meneteskan campuran ke dalam larutan CaCl2 0,25 M. Larutan sodium alginat membentuk koloid dalam larutan calcium chloride dimana terjadi dispersi sehingga matriks mengeras terbentuk calcium alginat. Alginat 4% mampu menjebak enzim dan bakteri dalam jumlah besar tetapi aktifitas dari enzim maupun bakteri tetap bekerja baik. Apabila komposisi alginat diturunkan Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
maka jumlah enzim dan bakteri yang lepas semakin banyak dan dalam komposisi dibawah 3% butiran alginat tidak terbentuk. Sebaliknya dengan komposisi yang semakin besar maka metabolisme substrat dan reaksi hidrolisis tidak mampu bekerja dengan baik akibat besarnya konsentrasi alginat yang menghalangi difusi zat dari luar kedalam matriks alginat. Tabel 2. Penghitungan jumlah sel Zymomonas mobilis dan ekstrak kasar dalam amobilisasi dengan alginat Konsentrasi Alginat (w/v) 2% 3% 4% 5% 6%
• •
Jumlah Bakteri Masuk Alginat 1,45 x 109 8,325 x 1010 9,003 x 1010 9,01 x 1010
Jumlah Enzim Masuk Alginat 8,435 11,495 11,825 11,825
Jumlah bakteri Lepas 5,6 x 104 2 x 106 5 x 106 4,3 x 106
Jumlah Enzim Lepas 3,105 0,109 0,013 0,015
Satuan jumlah bakteri dalam sel/mL Satuan jumlah enzim dalam mg/mL
Konsentrasi alginat 2 % (w/v) butiran alginat tidak terbentuk karena setelah diteteskan tidak cukup kuat membentuk membran tahan air (ikatan antara Ca dengan alginat) sedangkan pada konsentrasi diatas 5 % (w/v) larutan bercampur biomassa basah dan ekstrak kasar invertase membentuk gel akibat banyaknya sodium alginat terlarut sehingga ketika diteteskan ke larutan CaCl2 tidak bisa membentuk tetesan bulat sempurna sehingga bakteri dan enzim yang masuk juga semakin sedikit. Tabel 3. Hasil uji kualitatif etanol dalam distilat Konsentrasi Alginat (w/v)
Pengamatan Penambahan K2Cr2O7
2%
Orange
-
-
3%
Orange
Hijau kecoklatan
+
4%
Orange
Hijau
+++
5%
Orange
Hijau kekuningan
++
6%
Orange
Hijau kekuningan
++
Kontrol
Orange
Hijau tua
++++
Pengamatan Penambahan H2SO4
Hasil Uji Kualitatif Etanol
Setelah parameter jumlah sel dan enzim yang teramobil maka selanjutnya diuji kemampuan masingmasing konsentrasi pengamobil dalam menghasilkan etanol dengan perlakuan yang sama (120 jam fermentasi, media fermentasi pH 5,5). Sebagai pembanding digunakan perubahan warna dari etanol teknis 70 %, hasil uji kualitatif didapatkan bahwa yang paling mendekati warna hijau standar etanol adalah pada konsentrasi 4 % (w/v). Hal ini karena pada 5 % alginat masuknya nutrisi ke dalam butiran tidak sebaik pada 4 % akibat membran yang terbentuk terlalu rigid (kurang permeabel) sehingga metabolisme dan hidrolisis enzim serta difusi keluar membran kurang berjalan baik.
170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
(Hani Soedjattmiko, 2009) adalah sebeesar 61,18 % Hall ini menuunjukkan bah hwa dengann (w/v). digunakannya d koamobil Z Zymomonas mobilis dann ekstrak e kasar invertase i terbbukti mampu menghasilkan m n ju umlah akhir etanol e yang lebbih besar dariipada keadaann bebasnya. b Akkan tetapi diggunakannya bakteri b bebass dengan d penam mbahan enzim m bebas menun njukkan yieldd etanol e lebih tiinggi karena hidrolisis oleeh enzim dann konversi k secarra langsung ooleh mikroorg ganisme tanpaa teerhalang mem mbran pengam mobil yang kemungkinann dapat d mengurangi efisiensii difusi keluaar dan masukk zat. z Penambaahan ekstrakk kasar enziim invertasee dilakukan d denngan tujuan peenyediaan bah han baku gulaa in nvert untuk dikonversi menjadi etan nol sehinggaa menghindari m terbentuknya pproduk sampiing levan dann sorbitol s apabiila media fermentasi yan ng digunakann laangsung dari sukrosa
3
0
10
20
30
4 40
50
60
70
80
90
100
1 110
120
waktu fermentasi (jam) w etaanol (g/l) Gu ula Reduksi (g/l)
Produktivitas etanol (g/L/jam)
Etanol (g/l) ; Gula Reduksi (g/l)
Pola Konssumsi Gula dan d Produksii Etanol Selaama Fermentassi Polaa produksi etaanol dan konsuumsi gula selaama fermentasi oleh koamoobil Zymomonnas mobilis dan crude invvertase dipeeroleh denggan melakuukan monitoringg terhadap kaddar etanol daan kadar glukkosa reduksi terhhadap fungsi waktu selama 120 jam settiap interval 15 jam. Jumlah awal sel Zym momonas mobbilis yang digunnakan untuk amobilisasi a yaaitu 8,324 x 10 1 10 sel/mL.
2,54 1 1,642
2
1,234
1
Gambar 1.. Kurva Polaa Konsumsi Gula G dan Kaadar Etanol (jum mlah sel awaal 8,324 x 10 1 10 sel/mL, jum mlah enzim 11,536 mg/m mL, kosentrasi sukrosa 155%, temperaatur ruang, pH 5,5)
0,9 993 0,879
42 0,692 0,74
0,56
0 15
30
45
6 60
75
90 0
105 120
ferm mentasi (jam)
Etannol tertinggi dihasilkan pada 105 jam j fermentasi yaitu 7,2668 % (w/v) tetapi menuurun setelah 1200 jam pada 6,725 % (w//v). Yield etaanol tertinggi addalah 90,040 %. %
Gambar G 2. K Kurva Produkktivitas etanoll (jumlah sell aw wal 8,324 x 11010 sel/mL, jumlah j enzim m 111,536 mg/mL L, kosentrasi sukrosa s 15%,, tem mperatur ruanng, pH 5,5)
Tabel 4. Koonsumsi gula dan yield etannol
Laju L pembenttukan etanol (produktivitass etanol) darii koamobil k invvertase tertingggi dengan kadar etanoll teertinggi adalaah sebesar 0,6992 g L-1.jam-1.
Fermentassi (jam)
Etanol (g/L)
Yield Etanool (%)
0 15 30 45 60 75 90 105
38,107 49,283 55,572 59,624 65,949 66,818 72,689
47,212 61,044 68,843 73,855 81,704 82,784 90,040
Konsumssi Substratt (g/L) 100,4133 124,2033 144,0277 153,2033 155,1666 156,2999 156,8277
120
67,256
83,321
157,0922
Yield etannol dari koam mobil invertaase ini dihituung berdasarkann akumulasi etanol padda setiap waaktu pengukurann. Akumulasii yield etanol tertinggi berrada pada 105 jam j fermentassi. Jadi kadarr etanol tertinnggi yang diperroleh adalah 7,268 7 % (w/vv). Kadar etaanol tertinggi bakteri bebaas pada pH H 5,5 denngan panambahaan invertase sebagai s penghhidrolisis sukrrosa (Nuzula Aw wwalurrizki, 2009) adalahh sebesar 4,877 % (w/v) denggan yield etaanol sebesar 90,50 %, kaadar etanol terttinggi Zymom monas mobiliss bebas pH 5,5 Prosiding KIM MIA FMIPA - ITS
Pengaruh P Pen nggunaan Kooamobil pada a Fermentasii Berulang B terh hadap Kadarr Etanol Efektivvitas kemam mpuan sel Zymomonass mobilis m dan crrude invertase yang diamo obilisasi padaa alginat a 4 % diuji d dalam feermentasi beru ulang dengann media m fermentasi pH 5,5 yyang mengandung sukrosaa 15%. 1 Pengullangan fermeentasi dengaan koamobill in nvertase terseebut dilakukann sebanyak lim ma kali secaraa kontinu. k
% eatnol
% etanol
7 6,8 6,6 6,4 6,2 6 5,8 5,6 5,4 5,2 5 1
2
3
4
5
6
fermentasi (kali)
Gambar 3. Pengaruh penggunaan koamobil invertase dalam fermentasi berulang terhadap kadar etanol yang dihasilkan (Fermentasi selama 120 jam, temperatur ruang, pH 5,5, jumlah sel 1,00006 x 1011 sel/mL, konsentrasi enzim 10,160 mg/mL). Pada fermentasi pertama menghasilkan kadar etanol tertingi yaitu 6,725 % (w/v), perulangan fermentasi kedua menghasilkan 6,661 % etanol, sedangkan kadar paling rendah ditunjukkan setelah mengalami fermentasi sebanyak 5 kali dengan prosentase 5,77 %. Tabel 5. Gula residu dan Konsumsi Substrat pada Penggunaan Fermentasi Berulang Fermentasi Etanol Gula residu Konsumsi (kali) (g/L) (g/L) gula (g/L) 1 67,256 0,637 153,487 2 66,613 0,739 153,385 3 66,816 0,877 153,247 4 58,099 1,375 152,749 5 57,775 1,628 152,496 • Gula invert mula-mula dalam sustrat gula yaitu 15,412 gram Aktivitas invertase menghidrolisis sukrosa mengalami penurunan secara terus-menerus. Hal ini disebabkan adanya volume enzim yang lepas dari butiran sehingga jumlah gula residu semakin meningkat dengan waktu fermentasi yang sama. Setelah penggunaan fermentasi yang pertama aktivitas enzim turun sebesar 0,06 % dan 0,15 % pada fermentasi yang ketiga kalinya hingga menyisakan aktivitas invertase sebesar 99,35 % dari aktivitas semula setelah perulangan fermentasi yang kelima. Pengaruh Waktu Penyimpanan terhadap Durabilitas Produksi Etanol Koamobil Zymomonas mobilis dan ekstrak kasar invertase dalam alginat 4% disimpan selama 0, 3, 5, 7, 10, dan 15 hari tanpa media dan nutrisi pada suhu 4 ºC, hal ini bertujuan untuk menguji durabilitas aktivitas sel dalam menghasilkan etanol jika butiran tersebut tersimpan dalam kondisi yang minimal.
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
6,9 6,8 6,7 6,6 6,5 6,4 6,3 6,2 6,1 6 5,9 5,8 5,7 5,6 5,5 5,4 5,3 5,2 5,1 5 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
penyimpanan (hari)
Gambar 4.
Pengaruh lama penyimpanan koamobil terhadap kadar etanol hasil fermentasi (Fermentasi selama 120 jam, temperatur ruang, pH 5,5, jumlah sel teramobil 1,00006 x 1011 sel/mL dan konsentrasi invertase 10,160 mg/mL).
Koamobil Zymomonas mobilis dan invertase tanpa penyimpanan (0 hari) mampu menghasilkan 6,725 % etanol (w/v). Sel dan invertase teramobil yang tersimpan tanpa media dan tanpa nutrisi (keadaan minimal bagi bakteri serta enzim) selama 3 hari mampu menghasilkan etanol sebanyak 6,627%, setelah penyimpanan selama 5 hari menghasilkan 6,521 %. Pada penyimpanan 7 hari, butiran koamobil kadar etanol mengalami penurunan cukup tajam yaitu 5,922 % sedangkan setelah tersimpan selama 10 hari Zymomonas mobilis yang teramobil bersama dengan enzim didalam alginat masih mampu menghasilkan kadar etanol dimana prosentasenya turun 5,852 % dan kembali menurun secara signifikan menjadi 5,432 % setelah penyimpanan selama 15 hari. Tabel 6. Gula residu dan Konsumsi Substrat karena Pengaruh Waktu Penyimpanan Penyimpanan Etanol Gula residu Konsumsi (hari) (g/L) (g/L) gula (g/L) 0 67,256 0,637 153,487 3 66,279 1,073 153,051 5 65,217 1,610 152,514 7 59,229 1,787 152,337 10 58,528 2,170 151,954 15 54,321 2,468 151,656 • Gula invert mula-mula dalam sustrat gula yaitu 15,412 gram Penurunan aktivitas koamobil dalam menghidrolisis substrat sampai penyimpanan 3 hari turun sebesar 0,284 %. Penurunan aktivitas invertase dalam butiran sebesar 0,633 % penurunan secara terus-menerus bertahap disebabkan aktivitas invertase untuk mengkonversi substrat sukrosa mengalami penurunan sampi 1,192 % karena pengaruh lama penyimpanan selama 15 hari.
KESIMPULAN
Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah didapatkannya pola fermentasi dan pola konsumsi gula dari koamobil Zymomonas mobilis dan ekstrak kasar invertase dengan alginat dari sukrosa menghasilkan etanol maksimum pada 105 jam fermentasi dengan konsentrasi pengamobil 4 % (w/v). Sebanyak 1 mL ekstrak kasar invertase teramobil mampu menghasilkan gula invert sebesar 15,348 g/100 mL dari konsentrasi awal awal 15,412 g/100 mL selama 120 jam. Pola fermentasi koamobil Zymomonas mobilis yang digabung dengan ekstrak kasar invertase menghasilkan yield etanol tertinggi 90,56 % dengan laju pembentukan 0,692 g L-1 jam-1 yang terbukti menunjukkan hasil lebih besar dari fermnetasi tanpa adanya penambahan invertase dengan sukrosa yang sama. Koamobil Zymomonas mobilis dan ekstrak kasar invertase setelah lima kali pengulangan fermentasi masih memiliki aktivitas bakteri sebesar 85,90 % dan aktivitas enzim sebesar 99,35 %. Setelah penyimpanan selama 15 hari aktivitas bakteri turun 19,22 % dan aktivitas enzin menurun sebesar 1,192 %. Semakin lama waktu penyimpanan koamobil dan digunakannya dalam fermentasi berulang maka kemampuan dalam menghasilkan etanol semakin menurun. UCAPAN TERIMA KASIH 1. Bapak Surya Rosa Putra, selaku dosen pembimbing atas segala diskusi, bimbingan, arahan dan semua ilmu yang bermanfaat. 2. Bapak dan Ibu selaku orang tua terbaik atas segala doa, dorongan materiil dan spiritualnya. 3. Rekan-rekan tugas akhir dan thesis S1 dan S2 Kimia ITS serta para analis khususnya di Laboratorium Biokimia 4. Serta pihak-pihak lain yang tidak dapat disebutkan satu persatu. DAFTAR PUSTAKA Awwalurrizki, Nuzula, (2009), “Hidrolisis Sukrosa Dengan Ekstrak Kasar Invertase Untuk Fermentasi Etanol Menggunakan Zymomonas mobilis”, Surabaya Goksungur, Y. dan Zorlu, N. (2001), “Production of Ethanol from Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreactor”, Turk J Biol, 25, 265-275 Gunasekaran, P & Raj, K. C. (1999). “Fermentation Technology-Zymomonas mobilis. Departement of microbial Technology”, School of Biological Sciences, Mandurai Kamaraj University, India Khopkhar, S.M., (1994), “Kimia Analitik Kuantitatif”, UIPress, Jakarta Kowalczyk, Tomasz, (2008), “Electrospinning of Bovine Serum Albumin Optimization and the Use for Production of Biosensors”, Warsaw, Poland Reniati, Dwi, (2009), “Produksi Etanol Menggunakan Zymomonas mobilis yang diamobilisasi dengan Alginat”, Surabaya Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Soedjatmiko, Hani, (2009), “Penentuan pH optimum dalam produksi bioetanol dengan menggunakan Zymomonas mobilis”, Surabaya Tanaka, K., Hilary, Z. D., & Ishizaki, (1999), “A. Investigation of the Utility of Pineapple Juice and Pineapple Waste material as Low-Cost Substrate for Ethanol Fermentation by Zymomonas mobilis”, J. Biosci. Bioeng, Vol. 87, No. 5: 642646 Tripetchkul, S., Tonokawa, M., dan Ishizaki, A. (1992), “ Ethanol Production by Zymomonas mobilis Using Natural Rubber Waste as a Nutritional Source”, Journal Fermentation and Bioengineering, Vol. 74, No.6, 384-388
BIODATA PENULIS Penulis dilahirkan di Tulungagung pada tanggal 11 Februari 1987, sebagai anak pertama dari dua bersaudara. Penulis adalah alumnus dari TK Pertiwi, SDN Beru I, SLTP Negeri I Wlingi dan SMA Negeri I Talun. Setelah lulus menempuh Pendidikan Menengah atas, penulis melanjutkan Pendidikan Tinggi di Jurusan Kimia Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB) pada bulan Agustus 2005. Selama menempuh pendidikan tinggi di ITS, penulis pernah aktif dan berpartisipasi dalam organisasi pada Himpunan Mahasiswa Kimia-ITS dan sebagai ketua Field Trip ke PT. Asahimas Flat Glass Sidoarjo. Penulis juga aktif mengikuti beberapa pelatihan, seminar dan study tour. Penulis pernah menjadi asisten praktikum di laboratorium kimia dasar, kimia analitik II, dan laboratorium biokimia. Penulis pernah bekerja sebagai guru les privat tingkat SLTA. Penulis menamatkan studi di Jurusan Kimia MIPA dengan mengambil Tugas Akhir pada bidang Biokimia.
