PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216 OPTIMASI PEMBUATAN ALKOHOL DARI LIMBAH CAIR NANAS MENGGUNAKAN SACCHAROMYCES CEREVISIAE Abdullah, M.B., Popi, R.A., dan Yefta, C.A. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Semarang
ABSTRAK Pemanfaatan limbah buah-buahan adalah sangat penting, tidak hanya menyelesaikan persoalan limbah tetapi juga untuk mendapatkan bahan baku atau merubah limbah menjadi produk yang berguna dan mempunyai nilai tambah yang lebih tinggi. Limbah cair nanas mengandung glukosa, fruktosa, sukrosa, dan nutrin lain. Oleh sebab itu bahan ini sangat potensial untuk digunakan sebagai sumber karbon pada pembuatan alkohol. Alkohol adalah salah satu bahan organik yang sangat penting yang secara luas digunakan pada industri minuman, dan industri lainnya. Studi untuk mengetahui pengaruh jumlah gula, nitrogen, dan inokulum dilakukan untuk memproduksi alkohol dengan jalan fermentasi secara batch menggunakan Saccharomyces cerevisiae. Factorial design digunakan untuk menentukan nilai optimal dari variabel proses. Hasil model persamaan polinomial orde dua diuji kelayakkannnya dengan analisa varian. Nilai optimal dari variabel yang diuji untuk produksi alkohol maksimal adalah konsentrasi gula 106, 8 g/L; konsentrasi nitrogen 329,3 mg N/L, dan konsentrasi inokulum 15,64% v/v. Yield alkohol dapat diprediksi dengan model dan didapatkan hasil 35, 85%. Kata kunci: fermentasi alkohol, limbah cair nanas, Saccharomyces cerevisiae, optimasi 1. Pendahuluan Nanas merupakan salah satu komoditas non migas dari sektor agrikultural disamping mangga, jeruk, pepaya, dan pisang yang dihasilkan oleh hampir semua provinsi di Indonesia. Pada tahun 2000 dihasilkan 393.299 ton buah nanas segar dari berbagai tempat seperti: Jawa Timur (27%), Jawa Barat (21%), Sumatera Selatan (20%), dan Riau (17%)1. Jumlah ekspor nanas kaleng Indonesia pada tahun 1999 mencapai sekitar 132.000 ton, diantaranya ke Amerika, Singapura, Jerman, dan Jepang2. Penghasil nanas kaleng terbanyak adalah Thailand (39%), Filipina (23%), Indonesia (13%), dan Kenya (8%) yang memberikan kontribusi lebih kurang 80% dari jumlah total produksi dunia3. Proses pembuatan makanan menggunakan banyak air dan sebagai akibatnya, limbah cairnya merupakan polutan yang mengandung zat organik dan padatan tersuspensi yang tinggi4. Proses pengalengan nanas dan produksi limbahnya telah diterangkan sebelumnya5. Apabila limbah ini tidak diolah akan menyebabkan persoalan lingkungan, disamping itu limbah nanas ini berpotensi untuk diolah menjadi bahan baku produk yang berguna dan mempunyai nilai tambah. Limbah nanas ini mengandung komponen bernilai, seperti glukosa, fruktosa, sukrosa, dan nutrin lain. Banyak peneliti telah mengadakan penelitian penggunaan limbah nanas untuk dibuat bahan kimia seperti protein sel tunggal, asam asetat, asam oksalat, dan gas metan6,7,8. Berdasarkan sifat fisika dan kimia dari limbah nanas, maka limbah ini sangat potensial untuk digunakan sebagai sumber karbon dalam pembuatan alkohol.
2. 2. Bahan dan Cara Penelitian 2.1 Bahan 2.1.1 Substrat Limbah nanas diperoleh dari pedagang buah di Pasar Ungaran, pada bulan April 2004. Bahan ini diolah terlebih dahulu seperti yang diterangkan oleh Abdullah dkk5.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
E-2-1
2.1.2 Strain Mikroorganisme yang digunakan untuk percobaan ini adalah Saccharomyces cerevisiae ATCC 9763 dari Oxoid, UK. Strain ini dipelihara pada Potato Dextrose Agar pada suhu 4ºC, dan dipindahkan ke media yang segar setiap bulan. 2.2 Cara 2.2.1 Media Inokulum Media inokulum disiapkan dengan cara inokulasi secara aseptik Saccharomyces cerevisiae dari media Potato Dextrose Agar ke dalam media cair Sabouraud 3%, dengan waktu inkubasi 24 jam pada suhu 30°C. Media cair Sabouraud 3% dari Merck, yang berisi Pancreatic digest of casein 0.5%, Peptic digest of fresh meat 0.5%, dan Glucose 2%10. 2.2.2 Fermentasi Percobaan dilakukan dalam sebuah beaker gelas yang dilengkapi dengan pengaduk magnetik dan tutup alumunium foil. Fermentasi dilakukan dengan memindahkan sejumlah inokulum berumur 24 jam pada beaker gelas yang berisi 500 mL media fermentasi, juga ditambahkan asam sulfat untuk mengatur pH sama dengan 4. 2.2.3 Analisa Etanol diukur secara kromatografi, dengan fase gerak campuran asam sulfat 0.005N dan acetonitril (80/20), laju alir 2.0 ml/menit dalam sebuah kolom Organic acid dari Phenomenex (Rezex ROA, 7.8 x 150 mm), pada panjang gelombang 210 nm. Pelarut yang digunakan adalah fase gerak, dengan volume injeksi 100 µL pada suhu 25ºC11. Penetapan kadar gula dilakukan secara kolorimetri-enzimatik dengan spektrofotometer Shimadzu UVVIS1700, pada panjang gelombang 507 nm12. 2.2.4 Factorial Design Untuk memaksimalkan konsentrasi etanol yang dihasilkan, factorial design dengan tiga variabel independen dipakai untuk mendapatkan model persamaan13. Data diolah dengan ANOVA dari SPSS v.12 for Windows (SPSS Inc., 2003). Level tiap variabel adalah –1, 0, dan 1, dengan tiga kali replikasi pada level 0, sehingga didapatkan 11 seri percobaan. Kelakuan (behavior) sistem ini dijelaskan dengan persamaan 1. Y = bo + b1x1 + b2x2+ b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b12 x12 + b22 x22 + b32 x32
(1)
dimana Y adalah respon yang dipredikasi, yaitu yield etanol; x1, x2, dan x3 adalah variabel independen; b0 adalah konstanta, b1, b2, dan b3 adalah konstanta efek linear; b12, b13, dan b23 adalah konstanta interaksi, sedangkan b12, b22, dan b32 adalah konstanta kuadratik. Variabel yang diuji adalah gula total (50-150 g/L), nitrogen (100-300 mg N/L), dan inokulum (5-15% v/v).
3.
3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Karakteristik Limbah Cair Nanas Hasil karakterisasi limbah cair nanas beserta pembandingnya disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Karakterisasi Limbah Cair Nanas dari Berbagai Peneliti Parameter Abdullah (2003) 1 Sasaki (1992)2 Popi & Yefta (2004)3 Gula total (g/l) 75,47 78,70 91,35 Nitrogen (g/l) 0,15 0,16 0,14 JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
E-2-2
Fosfor (mg/l) Asam sitrat (g/l) Keasaman * (g/l) pH *) sebagai asam sitrat monohidrat
12,0 3,84 3,95 4,0
4,0
23 1,2 1,2 4,39
Perbedaan kandungan gula total, nitrogen dan fosfor dengan peneliti sebelumnya disebabkan karena daerah asal nanas (1. Malaysis, 2. Tailand dan 3. Indonesia ) , musim panen dan cara memperoleh limbahnya . pH yang diperoleh pada penelitian ini lebih besar, hal ini dapat ditunjukkan dari kandungan asam sitrat maupun keasamanya. 3.2. Fermentasi Alkohol Peubah yang diuji adalah gula total (50 dan 150 g/l), kandungan nitrogen (100 dan 300 mg/l), dan inokulum (5 dan 15% v/v) dengan titik pusat masing-masing 100 g/l, 200 g/l dan 10 v/v. Hasil fermentasi alkohol disajikan pada Tabel 2. . Tabel 2. 23 factorial design dengan 3 titik pusat Gula (X1) Nitrogen (X2) Inokulum (X3) Alkohol Run g/l g/L mg N/L % v/v 10,51 1 50 100 5 14,59 2 50 100 15 16,12 3 50 300 5 16,69 4 50 300 15 42,65 5 150 100 5 54,21 6 150 100 15 53,01 7 150 300 5 50,55 8 150 300 15 31,06 9 100 200 10 31,32 10 100 200 10 30,12 11 100 200 10 3.3 Pengaruh Tiap Peubah dan Interaksi Antar Peubah Dari data diatas apabila diolah dengan analisa statistik didapatkan suatu persamaan yang menyatakan hubungan antara yield dengan peubah yang ditinjau dan ditunjukkan pada persamaan (2). Y = 30,833 + 2,225x1 + 2,485x2+ 1,923x3 – 1,367x1x2 – 0,405x1x3 – 2,045x2x3 + 0.344 x32
(2)
Dari model-fitting diperoleh nilai R2 0.991, artinya 99.1% total variabilitas respon dapat dijelaskan dengan model, atau 0.9% dari keseluruhan variasi tidak dapat dijelaskan dengan model. Hasil pengamatan dan prediksi disajikan pada Tabel 3
Run 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tabel 3. Data Percobaan dan Prediksi Gula Nitrogen Inokulum Yield (%) g/L mg N/L % v/v Yo Yp 50 100 5 21.02 20.73 50 100 15 29.18 29.47 50 300 5 32.23 32.52 50 300 15 33.38 33.09 150 100 5 28.43 28.72 150 100 15 36.14 35.85 150 300 5 35.34 35.05 150 300 15 33.70 33.99 100 200 10 31.06 30.83
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
E-2-3
10 11
100 200 10 31.32 100 200 10 30.12 Yo = Y pengamatan; Yp = Y perediksi
30.83 30.83
Dari persamaan 2 diperoleh hasil yield optimal adalah 35.85% dengan konsentrasi gula 106.8 g/L, konsentrasi nitrogen 329.3 mg N/L, dan konsentrasi inokulum 15.64% v/v. Berdasarkan nilai absolutnya, nitrogen adalah faktor yang memberikan pengaruh paling besar terhadap konsentrasi etanol yang dihasilkan, kemudian gula, dan inokulum, seperti tampak pada gambar 1. Sedangkan interaksi gula-inokulum, interaksi gula-nitrogen, dan interaksi nitrogen-inokulum tidak memberikan pengaruh terhadap konsentrasi etanol yang dihasilkan. Gambar 1. Diagram Paretto Pengaruh tiap Variabel dan Interaksi Antar Variabel D iagram Pareto Pengaruh V ariabel dan Interaksi antar V ariabel gula nitrogen inokulum 1 gula-nitrogen gula-inukulum -0.5
0
0.5
1
nitrogen-inokulum
N ilai A bsolut
4. Kesimpulan Limbah cair nanas dapat digunakan sebagai sumber karbon dalam proses fermentasi menggunakan Saccharomyces cerevisiae menghasilkan alkohol, variabel proses yang berpengaruh adalah konsentrasi gula, nitrogen, inokulum, interaksi gula-nitrogen dan interaksi gula-inokulum.
Daftar Pustaka 1. Badan Pusat Statistik Indonesia, (2000). ”Production of Fruits”,Horticulture statistics. 2. Hadi, P.U., (2001). ”The Case Study of Canned Pinneapple in Indonesia”, Center of Agro-socio Economist Research and Development, Ministry of Agriculture. 3. Ministry of Primary Industries Malaysia, (1998).”Statistic on Commodities”. 4. Buckle, K.A., (1989).” Biotechnology Opportunities in Waste Treatment and Utilisation for the Food Industry”. In Biotechnology and The Food Industry, Ed. Rogers P.L. Breach Science Publishers. New York 5. Abdullah, dan Haryani K. Dan Ashila R.M. (2003), ”Studi Awal Pembuatan Asam Sitrat dari limbah nanas Menggunakan A. Niger” . Paper Dipresentasikan pada Seminar Rekayasa Kimia dan Proses . Universitas Diponegoro. Semarang. 6. Bardiya, N. Somayaji, D. And Khanna, N., (1996),” Biomethanation of Banana Peel and Pinneapple Waste”, Bioresource Technology. 58. 7. Sasaki, K., Noparatnaraphorn, N. And Nagai, S.,(1991),” Use of Phytosinthetic Bacteria for the Production of Single Cell Protein and Chemicals from Agro Industrial Waste. In Bioconversion of Waste Material to Industrial Product. Ed. Martin, A.M. Elviser Applied Science. London. 8. Vimal, O.P. and Adsole, P.G. (1976),” Utilisation of Fruit and Vegetables Waste. In Research and Industry. 21(1). 9. Lazaro, M.J., (1989), ” Liquid Chromatography Determination of Acid and Sugar in Homolactic Cucumbar Fermentation”, Journal AOAC. 72(1). JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
E-2-4
10. Bridson, E.Y, (1998). The Oxoid Manual 8th Edition. Sabouraud Liquid Medium, Oxoid Limited. Hampshire. P2-183. 11. Phenomenex, (1998).” Chromatography”, DMSO and Ethanol, Torrance, California. 12. Glucose Liquicolor Test, Procedure. Human. 13. Dowdy, S. & Wearden, S., (1990), ” Statistic for Research”, 2nd Edition, John Wiley & Sons, Morgantown, West Virginia. 14. Kirk, R.E. & Othmer, D.F., (1951),” Encyclopedia of Chemical Technology”, vol. VI, Fermentation. Interscience Publishers Inc., New York.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
E-2-5
