REKAYASA BIOPROSES PEMBUATAN BIOETANOL DARI SIRUP GLUKOSA UBI JALAR (Ipomoea batatas L) DENGAN MENGGUNAKAN Saccharomyces cerevisiae
AHNUR WAHYUNI
SEKOLAH PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis dengan judul: Rekayasa Bioproses Pembuatan Bioetanol dari Sirup Glukosa Ubi Jalar (Ipomoea batatas L) dengan Menggunakan Saccharomyces cerevisiae adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan tercantum dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Agustus 2008
Ahnur Wahyuni NRP F351050051
ABSTRACT AHNUR WAHYUNI. Bio-process engineering of Bio-Ethanol from Sweet Potatoes Syrup (Ipomoea batatas L) using Saccharomyces cerevisiae. Under direction of KHASWAR SYAMSU and NUR RICHANA. Indonesia is one of petroleum importer countries which 30% of fuel consumption must come from import. Several materials from plants which is often used as raw materials for bio-ethanol are molasses and tapioca. Meanwhile, Indonesia is still importing the molasses. Tapioca is used for starch material industry. One of the alternatives for starch material is sweet potatoes. Sweet potatoes has a short harvesting time (3 – 3.5 months). Moreover, by using superior variety the productivity can be increased up to 40 ton/ha. This research is to seek the potency of bio-ethanol production from glucose syrup that comes from sweet potatoes as the raw material. More specific, is to quest for a better system of fermentation growth of Saccharomyces cerevisiae to produce a higher content of bio-ethanol using bio-process engineering. The first stage of research is to prepare the substrate, which consists of starch extracted from fresh sweet potatoes of Sukuh variety and then hydrolysis the starch enzymatically using α-amylase and amyloglucosidase (AMG) enzymes. Preliminary research was conducted to determine optimum concentration in which S. cerevisiae can live and produce the highest ethanol content. The concentrations being tested were 18, 24, 30 and 36% (g/l) of total sugar. While the main research consists of two systems: batch and fed batch. Result shows that 24% concentration (g/l) was find to be the optimum concentration for S. cerevisiae with ethanol production reaches up to 0.18±0.0283% (v/v). On the main research using batch system, the best result of highest ethanol content is reached (10.27±0.424% v/v) when aeration was stopped after biomass condition has reached the maximum condition. The best result on fed batch system of the highest ethanol concentration (21.385±0.573% v/v) also was gained at the same treatment. The ethanol content gained on this fed batch system has shown a significant increase up to two times compared to batch system. Based on calculation of fermentation kinetic parameters, it is shown that in batch system the highest Yx/s, Yp/s, Yp/x (0.007833±0.0001, 0.050584±0.0006, 6.457495±0.047) was gained on the second treatment that is aeration was stopped at 18th hour. On fed batch system, the highest Yp/s value (0.057963±0.0017) is shown on treatment of which aeration is stopped after the 18th hour. As a whole, this research has shown that by bio-process engineering, the ethanol content can be increased. Also, to produce 1 L ethanol of 99.5% concentration, there will be only 5.07 kg sweet potatoes needed (Sukuh variety) for the process. This is lower compared to the conversion of cassava to become ethanol with 6.5 kg of cassava needed to get the 99.5% concentration. Keywords: Bio-ethanol, Saccharomyces cerevisiae, Sweet potatoes, Bio-process engineering.
RINGKASAN AHNUR WAHYUNI. Rekayasa Bioproses Pembuatan Bioetanol dari Sirup Glukosa Ubi Jalar (Ipomoea batatas L) dengan Menggunakan Saccharomyces cerevisiae. Dibimbing oleh KHASWAR SYAMSU dan NUR RICHANA. Seiring dengan perkembangan jumlah penduduk dunia, kebutuhan akan transportasi juga meningkat, namun persediaan bahan bakar semakin menipis karena merupakan sumber daya alam yang bersifat tidak dapat diperbaharui. Indonesia merupakan salah satu negara yang mengimpor BBM. Kebutuhan bensin nasional mencapai 17.5 miliar liter per tahun dan 30% dari kebutuhan tersebut harus diimpor. Pada Peraturan Pemerintah No 5/2006 dalam kurun waktu 20072010, pemerintah menargetkan mengganti 1.48 miliar liter bensin dengan bioetanol akibat kian menipisnya cadangan minyak bumi. Beberapa bahan yang berasal dari tumbuhan yang sering digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol adalah molases dan tapioka dari ubi kayu. Namun Indonesia merupakan negara pengimpor molases serta penggunaan tapioka untuk industri berbahan baku pati merupakan kelemahan dari bahan yang digunakan selama ini. Salah satu alternative bahan baku pembuatan bioetanol adalah ubi jalar. Ubi jalar memiliki umur panen yang relatif singkat yaitu antara 3-3.5 bulan dengan produktivitas mencapai 40 ton/ha. Beberapa teknologi pembuatan bioetanol yang ada di Indonesia menggunakan singkong sebagai bahan bakunya dengan kadar etanol yang dihasilkan 8–11 persen. Melalui penelitian ini diharapkan dapat dihasilkan rendemen kadar bioetanol yang lebih tinggi dengan menggunakan bahan baku yang berasal dari ubi jalar Penelitian ini bertujuan untuk melihat potensi pembuatan bioetanol dari sirup glukosa yang berasal dari pati ubi jalar sebagai bahan baku. Sedangkan tujuan spesifik dari penelitian ini adalah untuk mencari kondisi tumbuh Saccharomycess cerevisiae yang lebih baik untuk menghasilkan bioetanol pada tingkat rendemen yang lebih tinggi dengan melakukan rekayasa bioproses. Tahap penelitian dimulai dengan mempersiapkan substrat yang akan digunakan. Persiapan tersebut terdiri atas ekstraksi pati dari ubi jalar segar. Ternyata ubi jalar varietas Sukuh memiliki rendemen pati yang lebih tinggi (22.53±1.48%) bila dibandingkan dengan ubi jalar lokal yang diperoleh dari Bogor. Tahap selanjutnya adalah melakukan hidrolisis pati secara enzimatis untuk membuat sirup glukosa. Enzim yang digunakan adalah enzim α-amilase dan enzim amiloglukosidase (AMG). Pada proses hidrolisis pati ini diperoleh nilai efisiensi mencapai 97.47±1.27%. Nilai ini menunjukkan bahwa proses hidrolisis yang dilakukan cukup efisien dan bagus. Penelitian pendahuluan dilakukan untuk menentukan konsentrasi optimum dimana kultur S. cerevisiae dapat hidup serta menghasilkan kadar etanol yang tertinggi. Konsentrasi yang diujikan berupa 18, 24, 30 dan 36% (g/l) total gula. Hasil terbaik dari penelitian pendahuluan ini selanjutnya digunakan sebagai konsentrasi substrat yang dilakukan pada penelitian utama. Penelitian utama terdiri atas dua sistem yaitu batch (nir-sinambung) dan fed batch (semisinambung). Untuk kedua sistem tersebut, diberi perlakuan yang sama, yaitu normal (dari awal hingga akhir fermentasi dalam keadaan aerobik, diberikan agitasi dan aerasi), penghenrian aerasi pada saat biomasa telah mencapai kondisi
yang maksimal, serta penghentian aerasi dan agitasi pada saat biomasa telah mencapai kondisi yang maksimal. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa konsentrasi 24% (g/l) merupakan konsentrasi yang optimal bagi pertumbuhan S. cerevisiae dengan produksi etanol mencapai 0.18±0.0283% (v/v) lebih tinggi bila dibandingkan dengan konsentrasi lain yang diujikan. Pada penelitian utama dengan sistem batch, diperoleh hasil terbaik dengan kadar etanol tertinggi (10.27±0.424% v/v ) pada perlakuan dengan penghentian sistem aerasi pada saat kondisi biomasa telah mencapai keadaan yang maksimal. Penghentian ini dilakukan pada jam ke-18. Hal ini menunjukkan bahwa dengan dihentikannya aerasi maka sisa substrat yang ada dalam media dimanfaatkan untuk pembentukan bioetanol oleh S.cerevisiae. Hasil terbaik pada sistem fed batch konsentrasi etanol tertinggi (21.385±0.573% v/v) juga diperoleh pada perlakuan yang sama dengan sistem batch yaitu penghentian aerasi pada jam ke-18. Bahkan kadar etanol yang diperoleh pada sistem fed batch ini menunjukkan peningkatan hingga mencapai dua kali lipat bila dibandingkan dengan sistem batch. Hal ini menunjukkan bahwa pada sistem fed batch, substrat yang ditambahkan pada saat proses fermentasi berlangsung, dapat dimanfaatkan oleh S.cerevisiae untuk pembentukan bioetanol. Berdasarkan hasil perhitungan pada parameter kinetika fermentasi, menunjukkan bahwa pada sistem batch, nilai dari Yx/s, Yp/s, Yp/x yang paling tinggi (0.007833±0.0001, 0.050584±0.0006, 6.457495±0.047) terdapat pada perlakuan kedua yaitu penghentian aerasi. Berdasarkan hasil perhitungan ini menunjukkan bahwa pada sistem batch, sistem fermentasi yang dilakukan telah berlangsung secara efisien, sehingga diperoleh kadar etanol yang relatif lebih tinggi bila dibandingkan dengan perlakuan lainnya. Pada sistem fed batch, nilai Yp/s paling tinggi (0.057963±0.0017) ditunjukkan pada perlakuan dengan penghentian aerasi setelah jam ke-18. Hal ini menunjukkan bahwa efisiensi pembentukan produk dalam hal ini etanol telah efisien, namun nilai Yp/x masih lebih rendah (13.68728±028) bila dibandingkan dengan perlakuan ketiga yaitu penghentian aerasi dan agitasi setelah jam ke-18(17.81401±1.88). Ini menunjukkan bahwa pada sistem fed batch ini, biomasa yang ada dalam hal ini S cerevisiae belum efisien dalam pembentukan substrat. Hal ini dapat disebabkan karena konsentrasi substrat yang tinggi dalam media sehingga S cerevisiae tidak dapat memproduksi etanol secara maksimal. Secara keseluruhan hasil penelitian ini menunjukkan bahwa dengan dilakukannya rekayasa bioproses dapat meningkatkan kadar etanol yang diperoleh. Berdasarkan hasil penelitian ini juga diperoleh bahwa untuk memproduksi satu liter etanol dengan konsentrasi 99.5% membutuhkan ubi jalar dengan varietas Sukuh sebanyak 5.07 kg. Hasil ini lebih tinggi bila dibandingkan dengan konversi ubi kayu menjadi etanol yang membutuhkan ubi kayu sebanyak 6.5 kg untuk membuat satu liter etanol dengan konsentrasi 99.5%. Kata kunci: Bioetanol, Saccharomyces cerevisiae, Ubi jalar, Rekayasa bioproses .
© Hak cipta milik IPB, tahun 2008 Hak cipta dilindungi Undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencamtumkan atau menyebutkan sumber. a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya tulis ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar Institut Pertanian Bogor (IPB) 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
REKAYASA BIOPROSES PEMBUATAN BIOETANOL DARI SIRUP GLUKOSA UBI JALAR (Ipomoea batatas L) DENGAN MENGGUNAKAN Saccharomyces cerevisiae
AHNUR WAHYUNI
Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Departemen Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
Judul Tesis
Nama NIM
: Rekayasa Bioproses Pembuatan Bioetanol dari Sirup Glukosa Ubi Jalar (Ipomoea batatas L) dengan Menggunakan Saccharomyces cerevisiae : Ahnur Wahyuni : F351050051
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Khaswar Syamsu, MSc Ketua
Dr. Ir. Nur Richana MSi Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Tanggal Ujian: 21 Agustus 2008
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof.Dr.Ir.Khairil Anwar Notodiputro, MS
Tanggal Lulus:
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Erliza Noor
KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini yang berjudul “ Rekayasa Bioproses Pembuatan Bioetanol dari Sirup Glukosa Ubi Jalar (Ipomoea batatas L) dengan Menggunakan Saccharomyces cereviseae”. Selama proses penyusunan karya ilmiah ini penulis banyak mendapat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak baik secara langsung maupun tidak langsung hingga tersusunnya tesis ini. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. Khaswar Syamsu, MSc dan Ibu Dr. Ir. Nur Richana, MSi selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan, arahan dan masukannya. Terima kasih kepada Ibu Dr. Ir. Erliza Noor sebagai dosen penguji atas masukan sarannya. Terima kasih kepada Departemen Pertanian atas pendanaan untuk penelitian melalui program Kerjasama Kemitraan Penelitian Pertanian dengan Perguruan Tinggi (KKP3T). Terima kasih juga penulis ucapkan kepada tim Bioetanol saudara Diah Rochana dan Sri Haryani atas penelitian bersama serta diskusinya, Mba Emi dan Mba Pepi atas bantuannya di laboratorium RBP. Terima kasih juga ditujukan kepada rekan-rekan TIP khususnya angkatan 2005 atas masukan sarannya. Ungkapan terima kasih yang sebesar-besarnya atas kasih sayang, kesabaran serta doa dan dukungan yang tak ternilai disampaikan kepada ayahanda H. A. Halim Mansul, ibunda Hj. A. St. Nurhayati H, suami tersayang Roni, anakku tercinta Risky Cahyapratama, kakak-kakakku: A. Naharuddin SE, A. Suharman, A. Luthfi SE, Ahnur Tenri S.Sos, Ahnur Gusdiyanto ST, serta kepada seluruh keluarga atas segala doa dan kasih sayangnya. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan tesis ini masih terdapat kekurangan dan kesalahan, karenanya penulis mengharapkan adanya masukan dan saran yang dapat dipergunakan dalam perbaikan karya ilmiah ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Bogor, Agustus 2008
Ahnur Wahyuni
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Toli-toli Sulawesi Tengah pada tanggal 11 Agustus 1983 dari ayah H. A. Halim Mansul dan ibu Hj. A. St. Nurhayati H. Penulis merupakan putri keenam dari enam bersaudara. Tahun 2000 penulis lulus dari SMUN 4 Makassar Sulawesi Selatan dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis masuk pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten pada praktikum Laboratorium Bioproses dan Laboratorium Lingkungan. Selama perkuliahan penulis pernah menjadi Finalis pada Pekan Ilmiah Mahasiswa Nasional (PIMNAS) XVI di Surakarta pada tahun 2003, dan menjadi wakil dari Program Studi Teknologi Industri Pertanian. Pada tahun 2005 penulis diterima menjadi mahasiswa pascasarjana pada program studi Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL .............................................................................................. iv DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... v DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... vi I PENDAHULUAN ......................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1 1.2 Tujuan ................................................................................................ 3 1.3 Ruang Lingkup................................................................................... 4 1.4 Hipotesa Awal ...................................................................................
4
II TINJAUAN PUSTAKA................................................................................ 5 2.1 Ubi Jalar ............................................................................................ 5 2.2 Sirup Glukosa..................................................................................... 6 2.3 Bioetanol ........................................................................................... 9 2.4 Khamir ............................................................................................... 12 2.5 Kinetika Fermentasi .......................................................................... 16 III METODOLOGI PENELITIAN .................................................................. 20 3.1 Bahan Dan Alat ................................................................................. 20 3.2 Metodologi ........................................................................................ 20 3.3 Waktu dan Tempat Penelitian ........................................................... 27 IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................. 28 4.1 Ekstraksi pati ubi jalar ....................................................................... 28 4.2 Pembuatan sirup glukosa ubi jalar .................................................... 31 4.3 Penentuan Konsentrasi Hidrolisat Pati yang akan Digunakan .......... 32 4.4 Penelitian utama ................................................................................ 36 4.4.1 Fermentasi dengan Sistem Batch (nir sinambung) ................. 37 4.4.2 Fermentasi dengan Sistem Fed Batch (semi sinambung) ...... 42 4.5 Perhitungan Kinetika Fermantasi ..................................................... 47 V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................... 52 5.1 Kesimpulan ....................................................................................... 52 5.2 Saran .................................................................................................. 52 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 53
LAMPIRAN........................................................................................................ 57
DAFTAR TABEL Halaman 1
Perbandingan Karakteristik Tanaman Umbi.................................................
7
2
Tanaman Penghasil Bioetanol ...................................................................... 10
3
Jenis Substrat serta Mikroorganisme yang digunakan untuk memproduksi Etanol ........................................................................................................... 11
4
Variasi perlakuan yang dilakukan pada penelitian utama ............................ 26
5
Perbandingan komposisi kimia ubi putih dan merah ................................... 26
6
Perbandingan rendemen pati dari ubi jalar yang digunakan ........................ 27
7
Hasil analisa proximat ubi jalar varietas sukuh dan pati yang dihasilkan ... 28
8
Konversi pati menjadi sirup glukosa ............................................................ 30
9
Data pendukung kinetika fermentasi ............................................................ 49
10 Perhitungan kinetika fermentasi ................................................................... 50 11 Penetapan Gula Berdasarkan Luff Schoorf ................................................... 58 12 Kurva standar total gula ............................................................................... 62 13 Kurva pertumbuhan standar S. cerevisiae .................................................... 65 14 Data penelitian utama perlakuan normal sistem batch ................................. 68 15 Data penelitian utama perlakuan stop aerasi sistem batch............................ 69 16 Data penelitian utama perlakuan stop aerasi dan agitasi sistem batch.......... 70 17 Data penelitian utama perlakuan normal sistem fed batch ........................... 71 18 Data penelitian utama perlakuan stop aerasi sistem fed batch...................... 72 19 Data penelitian utama perlakuan stop aerasi dan agitasi sistem fed batch ... 73
DAFTAR GAMBAR Halaman 1
Struktur bangun etanol ................................................................................. 10
2
Tahap glikolisis (Embden-Meyerhof-Parnas Pathway) ............................... 14
3
Proses pembentukan etanol dari pyruvat ...................................................... 15
4
Kurva pertumbuhan microbial pada kultur batch ......................................... 16
5
Pola kinetika pertumbuhan dan pembetukan produk pada fermentasi batch ........................................................................................... 19
6
Ubi jalar yang digunakan ............................................................................. 20
7
Diagram alir proses pembuatan pati ubi jalar .............................................. 21
8
Pati ubi jalar varietas sukuh yang dihasilkan ............................................... 21
9
Diagram alir proses pembuatan sirup glukosa ............................................. 22
10 Media propagasi ........................................................................................... 23 11 Perbandingan biomasa akhir hasil fermentasi pada berbagai konsentrasi ... 33 12 Grafik perbandingan total gula hasil fermentasi pada berbagai konsentrasi ................................................................................................... 35 13 Grafik perbandingan hasil akhir fermentasi pada berbagai tingkat konsentrasi pada jam ke-48 .......................................................................... 36 14 Fermentor yang digunakan ........................................................................... 37 15 Perbandingan hasil fermentasi pada ketiga perlakuan dengan menggunakan sistem batch .......................................................................... 38 16 Perbandingan hasil akhir fermentasi sistem batch pada jam ke-72 .............. 41 17 Perbandingan hasil fermentasi pada ketiga perlakuan dengan menggunakan sistem fed batch .................................................................... 44 18 Perbandingan hasil akhir fermentasi pada sistem fed batch pada jam ke-72...................................................................................................... 45 19 Kurva standar total gula (metode fenol)........................................................ 62 20 Kurva pertumbuhan standar S. cerevisiae .................................................... 65 21 Areal perkebunan ubi jalar varietas sukuh ................................................... 67 22 Ubi jalar varietas Sukuh ............................................................................... 67 23 Diagram alir pembuatan bioetanol dari ubi jalar varietas Sukuh ................. 74
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1
Analisa proximat ubi jalar dan pati ubi jalar................................................. 58
2 Prosedur Analisis Sirup Glukosa ................................................................. 62 3
Prosedur Analisis Parameter Fermentasi ..................................................... 63
4
Kurva pertumbuhan standar S. cereisiae ...................................................... 65
5
Deskripisi tanaman ubi jalar varietas Sukuh yang digunakan ..................... 66
6
Data penelitian pada sistem batch ................................................................ 68
7
Data penelitian pada sistem fed batch .......................................................... 71
8
Konversi ubi jalar menjadi bioetanol ........................................................... 74
