SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES, 26 Juli 2011 ISSN : Abstrak

SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES, 26 Juli 2011 ISSN : 1411-4216

PENGEMBANGAN MODEL MATEMATIS PRODUKSI ETANOL SECARA FERMENTASI KONTINYU DENGAN TEKNOLOGI IMMOBILISASI SEL CA-ALGINAT MENGGUNAKAN ZYMOMONAS MOBILIS TERMUTASI Tri Widjaja1, Setiyo Gunawan, Ali Altway, Sholikhuddin, dan Luthfi Machmudi2 Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Kampus ITS-Keputih, Sukolilo – Surabaya 60111Telp : 031-5922934 Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan model matematis fermentasi produksi etanol dalam packed bed fermentor kemudian dilakukan uji validitas hasil eksperimen yang dinyatakan dalam konsentrasi gula residu (Sb) dan etanol (Pb) di beberapa titik ketinggian fermentor. Dalam penelitian ini dilakukan pendekatan pengaruh parameter fisik dan kinetik terhadap proses fermentasi sehingga pada akhirnya dilakukan fitting parameter untuk mendapatkan hasil model yang akurat sesuai hasil eksperimen. Penelitian ini dilakukan dengan terlebih dahulu melakukan eksperimen fermentasi glukosa berkadar (204.529 g/L) memanfaatkan Zymomonas mobilis termutasi yang diimmobilisasi oleh kapsul Ca-Alginat untuk mengetahui konsentrasi gula residu dan etanol pada ketinggian 1.7 dm, 3.4 dm, 5.4 dm, 7.4 dm dan 8.4 dm dari dasar fermentor. Selanjutnya model dikembangkan berdasarkan integrasi mass balance pada flok bakteri, kapsul dan reaktor secara overall dengan pendekatan kondisi steady state, aliran plug flow pada reaktor, morfologis spherical partikel serta konsentrasi sel yang sama di setiap titik fermentor. Persamaan model diselesaikan secara numerik dengan metode Successive Approximation dan Finite Different.Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa secara umum model matematis menunjukkan kesesuaian pola peningkatan konsentrasi etanol seiring bertambahnya ketinggian titik pengambilan sampel. Dengan mempertimbangkan faktor inhibisi substrat maka didapatkan % error rata-rata sebesar 10.53 % untuk gula dan 9.58% untuk etanol. Dengan mengabaikan faktor inhibisi substrat maka didapatkan % error rata-rata sebesar 6.4 % untuk gula dan 46.77% untuk etanol. Maka dari hasil perbandingan antara mempertimbangkan dan mengabaikan faktor inhibisi substrat didapatkan beda kesalahan yang relative besar yaitu sebesar 4.13% untuk gula dan 37.19 % untuk etanol. Dengan adanya perbedaan yang besar ini maka terjadi inhibisi subtrat dalam fermentasi kontinyu dengan konsentrasi gula 204.529 g/l (18%) Kata kunci: error, fermentasi kontinyu, packed-bed fermentor, pemodelan, Zymomonas mobilis Termutasi 1. Pendahuluan Produksi etanol pada umumnya dilakukan dengan proses fermentasi secara batch, sebagai upaya untuk memudahkan kontrol proses fermentasi dari kontaminasi mikroorganisme. Namun, hal ini mampu mengakibatkan terjadinya inhibisi etanol dikarenakan adanya produksi etanol yang terakumulasi pada produk terlarut dan bersifat racun yang dapat menghentikan pertumbuhan mikroorganisme. Untuk mengatasi hal tersebut maka, pada penelitian ini dilakukan proses fermentasi secara kontinyu pada pack bed fermentor. Salah satu metode yang digunakan sebagai solusi terhadap kendala tersebut adalah dengan teknik immobilisasi sel dimana mikroorganisme diperangkap dalam suatu supporting matrice yang ditempatkan dalam kolom reaktor. Selain itu pendekatan berikutnya adalah dengan menggunakan bakteri Zymomonas mobilis A3 yang merupakan hasil mutasi dengan Hydroxilamine. Bakteri ini memiliki toleransi suhu yang tinggi, kemampuan untuk mencapai konversi yang lebih cepat, lebih tahan terhadap kadar ethanol tinggi dibandingkan Saccharomyces cerevisiae. 1 2

Korespondensi: [email protected] [email protected]

JURUSAN TEKNIK KIMIA, FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO, SEMARANG

D-05- 1


Para peneliti selanjutnya berupaya untuk mengembangkan model matematik sebagai pendekatan deskriptif proses fermentasi sebagai dasar strategi desain yang rasional. Karena bagaimanapun juga, desain yang efisien, optimasi dan control terhadap reaktor fermentasi memerlukan persamaan matematis/ basis perhitungan yang akurat dan reliable. Model matematis juga mampu memberikan kontribusi bagi pengamatan yang komprehensif terhadap fenomena fisik dan kinetis yang terjadi di dalam reaktor. 2. Metodologi Eksperimen A. Pretreatment molases Memanaskan molases dengan konsentrasi gula total 204.529 g/l (18%) pada suhu 800C selama 20 menit, kemudian mendinginkannya hingga suhu ruangan (pemanasan dan pendinginan dilakukan sebanyak 2 kali). Kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H2SO4 sampai pH 4–5. Melakukan sterilisasi menggunakan autoclave pada suhu 1210C dan tekanan 15 psia selama 2 jam, kemudian mendinginkannya hingga suhu ruangan. Menambahkan (NH4)2SO4 5,19 g/L , KH2PO4 1,53 g/L, dan MgSO4.7H2O 0,55 g/L (production medium). B. Pembuatan Starter Mengambil biakan murni Zymomonas mobilis termutasi dengan kawat ose steril pada biakan agar miring yang telah diinokulasikan. Menanamkan biakan tersebut sebanyak 6 ose ke dalam 100 mL media nutrisi (yeast extract 10 g/L, (NH4)2SO4 1,0g/L , KH2PO4 1,0 g/L, dan MgSO4.7H2O 0,5g/L) dengan konsentrasi gula yang telah ditentukan. Membiakkan dalam inkubator shaker pada suhu 3000C selama 24 jam. C. Pembuatan Immobilisasi Sel Melarutkan 1 gram Na-Alginat dalam 45 mL aquadest, kemudian mencampur 5 ml media nutrisi dengan 45 ml larutan Na-Alginat sehingga konsentrasi larutan campuran menjadi 2% (w/v). Setelah mengental, 50 mL larutan campuran tersebut dicetak dalam 1000 mL larutan CaCl2 2%. Lalu sel immobilisasi yang sudah terbentuk dicuci dengan 0,85 % larutan NaCl untuk mengurangi kelebihan ion-ion Ca dan dicuci kembali dengan aquadest. Kemudian bead dimasukkan dalam production medium dan diinkubasi di dalam shaker inkubator selama 24 jam. D. Proses Fermentasi Memasukkan bead immobilisasi sel dalam tray dalam fermentor. Mengalirkan molases steril dengan pompa peristaltik ke dalam fermentor. Dengan dilution rate 1.2 per jam. Mengambil hasil fermentasi (broth) sebagai sampel setiap 6 jam selama 5 hari. Menganalisa hasil fermentasi (broth) dengan metode DNS dan Gas Chromatography (GC). 3. Pengembangan Model Matematis Flok mikroorganisme Zymomonas Mobilis Termutasi diimobilisasi dengan metode menjebak mikroorganisme tersebut dalam suatu supporting matrice berupa Ca-Alginat dan dimasukkan dalam packed bed fermentor yang memiliki dimensi panjang 8.4 dm dan diameter 0.025 dm. Pengembangan model matematis didasarkan atas 3 neraca massa sebagai berikut A. Neraca massa substrat untuk gula dalam flok (1) Dengan asumsi bahwa bentuk flok adalah spherical maka didapat

dengan DP adalah diameter

flok. Maka persamaan (1) dapat ditulis - rs.ρ=0

(2)

Dengan cara yang sama maka didapatkan untuk etanol +rp.ρ=0

(3)

Dengan rp = rs.Yp persamaan (3) menjadi +rs.Yp.ρ =0


(4)

D-05- 2


B.Neraca massa dalam kapsul Neraca massa gula dalam kapsul As

(

=AtfKgS(Sb-S)

(5)

Neraca massa etanol dalam kapsul As

(

= AtfKgP(P- Pb)

(6) (7)

C. Neraca massa reaktor overall Neraca overall gula dalam reaktor q

+

+

aAL(

=0

(8)

-q

-

+

aAL

=0

(9)

Neraca overall etanol dalam reaktor

Dalam eksperimen laju q adalah konstan dan persamaan hanya menggambarkan perubahan konsentrasi gula dan etanol sehingga persamaan diatas menjadi =

(10)

=

(11)

D. Persamaan Rate Kinetik Rate kinetik mengabaikan inhibisi substrat rs=

+

(12)

Rate kinetik mempertimbangkan inhibisi substrat rs=

+

(13)

4. Hasil dan Pembahasan Tabel 1. Nilai Parameter dalam Pemodelan Simbol Nilai Referensi µm 0.33 h-1 Elnashaie,dkk KP 35 g/l Elnashaie,dkk KS 1.7 g/l Elnashaie,dkk Parameter YC 0.52 Abasaeed,dkk kinetik YP 0.48 Perhitungan K’P 3 g/l Elnashaie,dkk Ki 1.283 g/l Abasaeed,dkk DP 0.019629 dm Perhitungan KgS 0.0168966 dm/h Perhitungan KgP 0.054306 dm/h Perhitungan Parameter KgS 35.03906 dm/h Optimasi Fisik KgP 0.00097 dm/h Optimasi DeS 9.36 x 10-5 dm2/h Elnashaie,dkk

Parameter

DeP 17.2 x 10-5 dm2/h Elnashaie,dkk Sebagaimana yang menjadi tujuan dalam penelitian ini, maka hasil eksperimen dan perhitungan matematis akan dibandingkan dan di-fitting untuk menguji validitas spesifik model matematis yang telah disusun. Pengembangan model didasarkan pada asumsi-asumsi sebagai batasan dalam penyusunan dan penyederhanaan model diantaranya adalah aliran plug flow dalam reaktor, bentuk spherical pada kapsul dan mempertimbangkan adanya inhibisi substrat. Inhibisi substrat berkaitan dengan tinggi rendahnya konsentrasi gula yang akan JURUSAN TEKNIK KIMIA, FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO, SEMARANG

D-05- 3


digunakan dalam proses fermentasi. Pada beberapa penelitian yang dilakukan sebelumnya oleh Ghose,T (1979) menunjukkan bahwa pada konsentrasi gula awal yang tinggi akan bersifat sebagai inhibitor yang dapat menghambat pertumbuhan atau bahkan membunuh bakteri. Maka dalam penelitian ini setelah dilakukan fitting parameter maka juga akan dibandingkan antara mempertimbangakan adanya inhibisi substrat dan mengabaikannya. Tabel 2.Konsentrasi gula hasil eksperimen dan model diberbagai ketinggian mempertimbangkan inhibisi substrat diberbagai ketinggian mempertimbangkan inhibisi substrat

Ketinggian

Experimen

Model

%Error

1.7

198.94

198.65

0.15

3.4

186.72

192.91

3.31

5.4

160.29

186.29

16.22

7.4

152.76

179.83

17.72

8.4

153.26

176.65

15.26

% Error Rata-Rata

Tabel 3. Konsentrasi etanol hasil eksperimen dan model

Ketinggian

Experimen

Model

1.7

3.1

2.82

9.28

3.4

4.84

5.58

15.30

5.4

8.06

8.75

8.6

7.4

12.86

11.86

7.82

8.4

12.52

13.38

6.9

% Error Rata-Rata

Error

9.58

10.53

Gambar 1. Grafik konsentrasi gulaEksperimen dan model mempertimbangkan inhibisi substrat

Gambar 2. Grafik konsentrasi etanol eksperimen dan model mempertimbangkan inhibisi substrat

Tabel 3. Konsentrasi gula hasil eksperimen dan model diberbagai ketinggian mengabaikan inhibisi substrat

Tabel 4. Konsentrasi etanol hasil eksperimen dan model diberbagai ketinggian mengabaikan inhibisi substrat

Ketinggian

Experimen

Model

%Error

Ketinggian

Experimen

Model

1.7

198.94

196.04

1.46

1.7

3.1

4.07

30.86

3.4

186.72

187.84

0.6

3.4

4.84

8.008

65.54

5.4

160.29

178.49

11.35

5.4

8.06

12.5

55.09

7.4

152.76

169.44

10.92

7.4

12.86

16.84

30.94

8.4

153.26

165.03

7.68

8.4

12.52

18.96

51.44

% Error Rata-Rata

6.4

Gambar 3. Grafik konsentrasi gula Eksperimen dan model mengabaikan inhibisi substrat


% Error Rata-Rata

%Error

46.77

Gambar 4. Grafik konsentrasi etanol eksperimen dan model mengabaikan inhibisi substrat

D-05- 4


Dalam pemodelan ini, parameter yang berkaitan dengan besarnya transfer massa mempunyai pengaruh yang cukup signifikan. Nilai dan merupakan nilai transfer massa yang melewati dinding kapsul CaAlginat. Besarnya kedua nilai transfer tersebut bergantung pada besarnya Diffusivitas efektif gula maupun etanol. Semakin besar kemampuan gula maupun etanol dalam berdifusi menembus dinding Ca-Alginat maka semakin besar pula transfer massanya. Nilai transfer massa yang paling berpengaruh didalam pemodelan ini adalah K gS dan KgP yang merupakan nilai transfer yang melewati dinding flok. Untuk mencari nilai K gS dan KgP digunakan metode leastSquare untuk meminimalisasi nilai jumlah kuadrat error dari eksperimen dan model, untuk teknis pelaksanaannya digunakan metode hooke jeave pada matlab 6.1. Pemilihan 2 parameter tersebut untuk dioptimasi didasarkan pada kondisi dinding flok yang berbeda untuk setiap eksperimen yang dilakukan sehingga dalam penelitian ini 2 parameter tersebut tidak berdasarkan literature yang ada tapi berdasarkan kondisi operasi eksperimen. Pengaruh inhibisi substrat berkaitan dengan besarnya nilai r s.Pada persamaan (12) merupakan rate kinetika reaksi ketika mengabaikan inhibisi substrat. Karena tidak adanya inhibisi substrat maka rate dari pertumbuhan bakteri akan terus berlangsung tanpa adanya gangguan dari tingginya konsentrasi substrat. Pada persamaan (13) ada faktor pengali untuk penyebut sebesar (S2/Ki). Dengan adanya faktor tersebut maka nilai rate kinetika reaksi persamaan (13) akan lebih kecil dari persamaan (12). Hal ini berarti specific growth rate dari bakteri didalam flok akan terganggu bahkan sampai meracuni bakteri. Sehingga konversi gula menjadi etanol akan berkurang. Berdasarkan hasil penelitian maka dapat dilihat. Dari beberapa data grafik dan tabel diatas dapat dibandingkan antara mempertimbangkan adanya inhibisi substrat maupun mengabaikannya. Dengan mempertimbangkan inhibisi substrat berdasarkan perhitungan didapatkan %error relatif rata-rata sebesar 10.53% untuk gula dan 9.58% untuk etanol. Sedangkan dengan mengabaikan inhibisi substrat berdasarkan perhitungan didapatkan %error relatif rata-rata sebesar 6.4% untuk gula dan 46.77% untuk etanol. Hasil dari kedua data tersebut menunjukkan perbedaan yang relatif besar antara mempertimbangkan inhibisi maupun tidak. Dengan beda % kesalahan sebesar 4.13% untuk gula dan 37.19% untuk etanol. Sehingga dapat dikatakan dalam proses fermentasi ini pada konsentrasi substrat sebesar 204.529 g/l (18%) terjadi inhibisi substrat yang mengakibatkan turunnya specific growth rate. 5. Kesimpulan a. Dalam packed bed fermentor dengan aliran plug flow konsentrasi etanol maupun gula residu dipengaruhi oleh posisi dimana cairan sample tersebut berada. Semakin tinggi titik pengambilan sampel, maka nilai konsentrasi gula residu semakin rendah dan konsentrasi etanol semakin besar. b. Hasil perbandingan dan fitting parameter antara hasil eksperimen dan perhitungan numerik dengan mempertimbangkan inhibisi substrat didapatkan % error rata-rata sebesar 10.53 % untuk konsentrasi gula residu dan 9.58 % untuk konsentrasi etanol. Dan tanpa mempertimbangkan inhibisi substrat didapatkan % error rata-rata sebesar 6.4 % untuk konsentrasi gula residu dan 46.77 % untuk konsentrasi etanol c. Beda kesalahan yang relatif besar antara mempertimbangkan faktor inhibisi substrat dan mengabaikannya yaitu 4.13% untuk gula dan 37.19% untuk etanol sehingga terjadi inhibisi substrat dalam proses fermentasi ini. Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada LPPM-ITS melalui pendanaan Penelitian Guru Besar Dana PNBP Tahun 2011 No: 0750.252/12.7/PM/2011 dan para mahasiswa yang telah melakukan penelitian bersama di Laboratorium Teknologi Biokimia, Jurusan Teknik Kimia, FTI – ITS antara lain Nurlaili Humaidah, Edwin Prasetya Nugraha dan Marhamdi Daftar Notasi a = Spesific area kapsul A = Cross sectional area fermentor AS = Luas permukaan eksternal kapsul Atf = Total luas mass transfer flok dalam kapsul Dp = Diameter Flok KS = Konstanta saturasi KgP = Koefisien transfer massa etanol melalui dinding Flok KgS = Koefisien transfer massa glukosa melalui dinding Flok KgP = Koefisien transfer massa etanol melalui dinding Kapsul KgS = Koefisien transfer massa glukosa melalui dinding Kapsul JURUSAN TEKNIK KIMIA, FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO, SEMARANG

dm-1 dm2 dm2 dm2 dm g/L dm/h dm/h dm/h dm/h

D-05- 5


Pb Pb K’P KP Ki l L P S q rp

= Konsentrasi etanol di dalam kapsul = Konsentrasi bulk etanol = Konstanta rate = Konstanta inhibisi Etanol = Konstanta inhibisi substrat = Jarak titik ke dasar fermentor = Total panjang fermentor = Konsentrasi etanol di dalam Flok = Konsentrasi glukosa di dalam flok = Volumetric flow rate = Laju spesifik produksi etanol

rs = Laju spesifik konsumsi gula Vp = Volume flok Sb = Konsentrasi glukosa bulk Sb = Konsentrasi glukosa di dalam kapsul X = Konsentrasi biomass dalam kapsul YC = Yield factor untuk yeast YP = Yiels factor untuk etanol Vcap = Volume kapsul kalsium alginate μm = Laju pertumbuhan spesifik maksimum ρ = Densitas Flok

g/L g/L g/L g/L g/L dm dm dm g/L L/h g etanol yang diproduksi/ g berat kering biomass. h g gula yang diproduksi/g berat kering biomass. h L g/L g/L g/L

L h-1 g/L

Daftar Pustaka Alfena, Chrisnawati, Rosa. S. Produksi Etanol Menggunakan Mutan Zymomonas mobilis Yang Dimutasi Dengan Hydroxylamine. Undergraduate Theses of Chemistry Department, Sepuluh Nopember Institute of Technology, RSKi 661.82 Chr p.2009 Egamberdiev, N. B. and Ierusalimskij, N. D. 1969, In continuous Cultivation of Micro-organism. I, Malek et al., eds., Academic, Praha, 517-527. Margaritis,A., P.K. Bajpai dan J. Wallace.High Ethanol Productivities using Small Ca-Alginate Bead of Immobilized Sels of Zymomonas Mobilis. Biotechnology Letters. vol 3 no 11 hal 613 – 618.1981 M.R. Melick, M.N. Karim, J.C. London, B.E. Date and P. Mihaltz, Mathematical modeling of ethanol production by immobilized Zymomonas Mobilis in a packed bed fermentor, BiotechnoL Bioengng. 29, 370-382.1987 S.S.E.H. Elnashaie and G. Ibrahim, Heterogeneous modelling of the alcoholic fermentation process, Appl. Biochem. Biotechnol. 19, 71-101.1988. S.S.E.H. Elnashaie, A.H Fakeeha, E.Iielal, M.E. Abashar. A Mathematical Model Achieving the Twin Objectives of Simplicity and Accuracy for the Simulation of Immobilized Packed Bed Fermentors. Mathl. Comput. Modelling Vol. 19, No. 5, pp. 105-114, 1994


D-05- 6

SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES, 26 Juli 2011 ISSN : Abstrak

Recommend Documents