JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
1
Pemilihan Pelarut Ekstraksi Etanol dari Pelarut Berbasis Alkohol pada Proses FermentasiEkstraktif Yanuar Arief Prasetya, Mulan Nur Shabrina, dan Tri Widjaja Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak—Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari secara teoritis dan eksperimen pengaruh macam pelarut dan laju alir pelarut terhadap kinerja packed column pada proses ekstraksi etanol dari broth fermentasi yang dinyatakan dengan %recovery etanol ekstraksi secara eksperimen dan pemodelan. Penelitian dilakukan secara eksperimen dan permodelan dengan menggunakan broth fermentasi dari molases. Pendekatan secara teoritis dilakukan dengan mengembangkan model matematik dalam menentukan %recovery ekstraksi. Pengembangan model matematis membutuhkan data kesetimbangan dan transfer massa. Koefisien distribusi etanol tiap pelarut diperoleh dari data kesetimbangan yang didapatkan dari eksperimen kesetimbangan. Model matematis yang digunakan diselesaikan secara numerik menggunakan metode Euler modifikasi dengan aplikasi MATLAB 6.1. Pelarut yang digunakan pada penelitian adalah namyl alcohol, iso-amyl alcohol dan 1-octanol yang divariasikan laju alirnya 10-40 cm3/s. Penelitian secara eksperimen nantinya akan divalidasi dengan hasil dari pendekatan teoritis (permodelan). Dari hasil penelitian, didapatkan nilai koefisien distribusi etanol untuk pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl alcohol, dan 1-octanol adalah sebesar 0.7526, 0.7354 dan 0.6531. Untuk uji toxisitas dari ketiga pelarut tersebut, pelarut 1-octanol bersifat kurang menghambat pertumbuhan mikroorganisme (Zymomonas Mobilis) yang ditunjukkan dengan hasil analisa konsentrasi gula sisa dan pertumbuhan sel dimana pelarut 1-octanol memiliki hasil yang paling besar dan banyak dibanding pelarut lainnya. Nilai %recovery ekstraksi berkisar dari 28.34% hingga 38.09%, 19.62% hingga 35.74% dan 19.17% hingga 25.09% dengan laju alir pelarut 10-40 cm3/s masing-masing untuk pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl alcohol dan 1-octanol menggunakan Raschig Rings packing. Hasil tersebut divalidasi dengan pendekatan teoritis dengan rata-rata kesalahan sebesar 9.87%, 7.86% dan 11.74% masing-masing untuk pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl acohol dan 1-octanol. Kata Kunci—broth fermentasi; ekstraksi; iso-amyl alcohol; namyl alcohol; 1-octanol.
karbohidrat dan asam amino secara anaerob. Peruraian dari kompleks menjadi sederhana dengan bantuan mikroorganisme sehingga menghasilkan energy [1]. Proses fermentasi merupakan salah satu cara yang telah banyak dilakukan sebagai salah satu cara untuk mendapatkan etanol dalam dunia industri. Mulai tahun 1980-an penelitipeneliti terdahulu seperti [2]-[7] melakukan upaya-upaya untuk mengatasi permasalahan ini, salah satunya adalah dengan mengusulkan proses fermentasi ekstraktif. Etanol dapat diekstrak dari air dengan cara ekstraksi caircair. Etanol dapat larut dengan mudah kedalam cairan yang tidak dapat bercampur dengan air. Dengan memanfaatkan perbedaan kelarutan ini, maka etanol dapat direcover dengan cara ekstraksi menggunakan pelarut, namun didalam proses fermentasi ekstraktif, pelarut harus tidak bersifat racun terhadap mikroorganisme. Pelarut yang umum digunakan oleh peneliti-peneliti terdahulu [3]-[6] adalah organic acid, 1-amyl alcohol, dibutylphtaalat dan n-dodecanol. Beberapa peneliti telah memberikan urutan dari klasifikasi solven berdasarkan pada perbandingan perfoma dari eksperimen adalah: Asam karboksilat > alkohol > ester > amine > ketone > ether > hydrocarbon Berdasarkan tingkat toksisitas dari alkohol terhadap yeast, alkohol dengan berat molekul rendah (C2 sampai C10) adalah toksik atau sebagai inhibitor, sedangkan alkohol dengan berat molekul yang lebih besar tidak bersifat toksik [3]. Perbandingan performa dari ekstraksi ethanol ditampilkan oleh 2 parameter, yakni koefisien transfer massa ethanol (KDE) yang menunjukkan kapasitas pelarut untuk ethanol dan faktor separasi () yang menunjukkan selektivitas pelarut untuk ethanol terhadap air. II. URAIAN PENELITIAN
I. PENDAHULUAN ebutuhan energi dari bahan bakar minyak bumi (BBM) berbasis fosil seperti solar, bensin dan minyak tanah di berbagai negara di dunia dalam tahun terakhir ini mengalami peningkatan tajam. Sedangkan ketersediaan cadangan sumber BBM semakin terbatas. Salah satu sumber energi alternatif yang terus dikembangkan adalah bioetanol. Etanol dapat dihasilkan dari peragian atau fermentasi karbohidrat, dimana prinsip pembentukan etanol adalah proses mikrobiologi untuk memperoleh produk yang berguna, dimana terjadi pemecahan
K
A. Analisa Kesetimbangan Performa dari ekstraksi ethanol dapat ditunjukkan oleh koefisien kesetimbangan distribusi ethanol (KDE) yang menunjukkan kapasitas pelarut untuk ethanol. Nilai KDE menunjukkan kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut alkohol. Waktu yang digunakan pada proses ekstraksi yaitu 10-15 menit karena pada waktu tersebut menghasilkan kadar ethanol dan ketinggian fase interface yang tetap. Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data koefisien transfer
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
2
massa ethanol antara pelarut dengan broth fermentasi diperoleh dengan cara broth fermentasi dicampurkan dengan pelarut pada perbandingan pelarut:broth 4:6, 6:4, 2:8, dan 8:2. Kemudian campuran broth fermentasi dan pelarut dikocok pada corong pemisah selama 10 menit untuk mencapai kestimbangan dan diambil ekstrak dan rafinat yang akan dianalisa kadar ethanolnya dengan menggunakan Gas Chromatography. B. Analisa Toxisitas Analisa ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar pengaruh dari macam-macam pelarut yang digunakan terhadap pertumbuhan mikroorganisme agar nantinya apabila dilakukan recycle pada proses fermentasi tidak meracuni mikroorganisme tersebut. Analisa ini dilakukan dengan cara mencampurkan larutan broth fermentasi yang telah berisi mikroorganisme (Zymomonas mobilis) ke dalam masing-masing pelarut (namyl alcohol, isoamyl alcohol, dan 1-octanol) kemudian diinkubasikan selama 24 jam dan dilakukan analisa dengan melihat konsenterasi gula sisa serta pertumbuhan mikroorganismenya. C. Performa Ekstraksi Secara Eksperimen Pada eksperimen ini dilakukan ekstraksi antara pelarut dengan broth fermentasi dengan cara mengalirkan keduanya ke dalam packed column yang berisi packing jenis raschig ring 2,5 mm secara counter-current dengan laju air 10,20,30 dan 40 cm3/menit untuk pelarut dan 10 cm3/menit untuk broth fermentasi. Setelah itu akan dilakukan analisa kadar etanol dari ekstrak dan rafinat menggunakan analisa Gas Chromatography. Analisa ini nantinya digunakan untuk menentukan performa ekstraksi dari masing-masing pelarut yang ditunjukkan dengan %recovery. D. Validasi Perhitungan Setelah dilakukan perhitungan %recovery secara eksperimen maka perlu dilakukan validasi dengan membandingkannya secara permodelan. Permodelan ini dibuat menggunakan aplikasi MATLAB dengan metode Euler. Persamaan yang digunakan adalah persamaan dari korelasi Laddha dan Degaleesan yang digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan massa dari tiap fase yang nantinya juga divalidasi dengan hasil permodelan. III. HASIL DAN DISKUSI A. Analisa Kesetimbangan Hasil dari eksperimen analisa kesetimbangan didapatkan data kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut yang dibuat dalam bentuk grafik antara fraksi etanol di rafinat dengan fraksi etanol di ekstrak dapat dilihat pada gambar sebagai berikut:
Gambar 1. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut namyl-alcohol
Gambar 2. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut iso-amyl-alcohol
Gambar 3. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut 1octanol
Dari ketiga gambar di atas didapatkan slope yang merupakan nilai koefisien kesetimbangan distribusi (KDE). Semakin besar nilai KDE suatu pelarut menunjukkan semakin baik pelarut tersebut untuk mengekstrak etanol dalam larutan. Sehingga dari data di atas menunjukkan bahwa pelarut n-amyl alcohol (0,7526) lebih baik dalam mengekstrak dibandingkan pelarut iso-amyl alcohol (0,7354) dan 1-octanol (0,6531). Hal ini sesuai dengan literatur bahwa nilai KDE akan semakin kecil seiring bertambahnya berat molekul yang disebabkan oleh pengaruh viskositas dari pelarut dimana semakin bertambahnya besar berat molekul pelarut maka viskositas dari pelarut tersebut akan semakin besar sehingga makin sulit untuk menyerap etanol. Viskositas untuk n-amyl alcohol sendiri adalah sebesar 3,717 Cp dan untuk 1-octanol sebesar 7,353 Cp masing-masing pada suhu 25oC.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271 B. Analisa Toxisitas Dalam proses fermentasi untuk menghasilkan alkohol adalah masalah penghambatan dan bahkan akhirnya penghentian pertumbuhan dan produktifitas mikroorganisme oleh produk toxic (racun) etanol itu sendiri. Pada proses fermentasi ekstraktif pelarut, harus tidak bersifat racun terhadap mikroorganisme. Sehingga untuk menghindari keracunan pelarut terhadap sel mikroorganisme perlu diadakannya pemisahan antara daerah fermentasi dan daerah ekstraksi didalam reaktor. Dari hasil eksperimen didapatkan data uji toksisitas pelarut dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 1. Uji tokxisitas terhadap pelarut Konsentrasi Pertumbuhan Total Gula Gula Sisa Sel (sel/mL (%) Terkonsumsi (g/L) sampel)
N o
Nama Sample
1
Blanko
100
398,195
0
483333,3
2
n-amyl alcohol
100
326,0425
72,1525
216666,7
3
iso-amyl alcohol
100
320,6175
77,5775
283333,3
4
1octanol
100
232,7325
165,4625
400000
Pada tabel 3 didapatkan konsentrasi gula sisa pada pelarut 1octanol lebih sedikit daripada pelarut n-amyl alcohol dan isoamyl alcohol. Sedangkan gula yang terkonsumsi dan pertumbuhan sel pada pelarut 1-octanol lebih banyak daripada pelarut n-amyl alcohol dan iso-amyl alcohol. Sehingga bisa disimpulkan bahwa pelarut 1-octanol bersifat kurang menghambat pertumbuhan mikroorganisme (Zymomonas Mobilis) dibandingkan pelarut n-amyl alcohol dan iso-amyl alcohol dilihat dari analisa konsentrasi gula sisa dan pertumbuhan sel. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan [3], dimana pada penelitian tersebut menunjukkan bahwa pelarut yang memiliki atom C lebih banyak cenderung tidak menghambat pertumbuhan (menginhibisi) dan tidak meracuni mikroorganisme. C. Performa Ekstraksi Secara Eksperimen Proses ekstraksi yang dilakukan dimulai dengan mengalirkan broth fermentasi sebagai fase kontinyu dan kemudian secara berlawanan pelarut dialirkan sebagai fase terdispersi. Dari hasil eksperimen ekstraksi ini, didapatkan hasil %recovery etanol dari berbagai nilai laju alir pelarut sebagai berikut: Tabel 2. %recovery etanol pada berbagai nilai laju alir pelarut laju pelarut n-amyl alcohol Iso-amyl alcohol 1-octanol (cm3/min) (%) (%) (%) 0 0 0 0 10 28,34 19,62 19,17 20 32,88 27,98 21,60 30 36,35 35,61 22,42 40 38,09 35,74 25,09
3
Pada tabel 2 dapat dilihat bahwa n-amyl alcohol memiliki %recovery lebih besar dibandingkan iso-amyl alcohol dan 1octanol. Ini menunjukkan bahwa n-amyl alcohol memiliki %recovery yang lebih baik dibandingkan pelarut lain. D. Validasi perhitungan Untuk mengetahui seberapa optimal desain proses dari pemodelan dilakukan validasi hasil prediksi menggunakan data hasil eksperimen yang dinyatakan dalam % error. Untuk mendapatkan %recovery etanol pemodelan yang mendekati eksperimen dilakukan dengan mencoba-coba konstanta (fitting) dari korelasi seibert dan Fair. Hasil fitting terbaik didapatkan konstanta 0,0146. Berikut tabel perbandingan %recovery eksperimen dengan %recovery pemodelan. Tabel 3. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan menggunakan pelarut n-amyl alcohol %recovery laju pelarut Eksperimen Permodela %error (%) n (%) (cm3/min) 0 0 0 0 10 28,34 33,66 15,82 20 32,88 37,55 12,44 30 36,35 39,02 6,85 40 38,09 39,84 4,38 %error rata-rata 9,87 Tabel 4. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan menggunakan pelarut iso-amyl alcohol %recovery laju pelarut Eksperimen Permodela %error 3 (cm /min) (%) n (%) 0 0 0 0 10 19,62 23,58 16,80 20 27,98 31,07 9,93 30 35,61 34,21 4,07 40 35,74 35,96 0,63 %error rata-rata 7,86 Tabel 5. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan menggunakan pelarut 1-octanol %recovery Laju pelarut Eksperimen Permodela %error (cm3/min) (%) n (%) 0 0 0 0 10 19,17 22,77 15,82 20 21,60 24,95 13,40 30 22,42 25,80 13,13 40 25,09 26,30 4,61 % error rata-rata 11,74
Pada tabel 3 didapatkan perbandingan %recovery teoritis dan eksperimen pada pelarut n-amyl alcohol dinyatakan dalam %error rata-rata sebesar 9,87% lebih kecil dari pelarut 1oktanol adalah 11,74%. Sedangkan pada pelarut iso-amyl alcohol nilai % error yang dihasilkan paling rendah dibandingkan pelarut lainnya yaitu 7,86%.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271 Tabel 6. Perbandingan nilai koefisien transfer massa eksperimen dengan teoritis pada pelarut n-amyl alcohol nilai kd untuk pelarut nLaju amyl alkohol pelarut %error Eksperimen Permodela 3 (cm /min) (%) n (%) 0 0 0 0 10 0,0050061 0,0050258 0,3920 20 0,0050214 0,0050698 0,9547 30 0,00505 0,0051137 1,2457 40 0,0050821 0,0051577 1,4658 % error rata-rata 0,8116 Tabel 7. Perbandingan nilai koefisien transfer massa eksperimen dengan teoritis pada pelarut iso-amyl alcohol nilai kd untuk pelarut isoLaju amyl alcohol pelarut %error Eksperimen Permodela 3 (cm /min) (%) n (%) 0 0 0 0 10 0,0050130 0,0050243 0,2249 20 0,0050433 0,0050665 0,4579 30 0,0051402 0,0051086 0,6186 40 0,0051440 0,0051508 0,1320 % error rata-rata 0,2867
berat molekul lebih besar semakin tidak bersifat racun (toxic) terhadap mikroorganisme. %recovery dari masing-masing pelarut menunjukkan kinerja dari packed column yang digunakan sehingga semakin besar %recovery-nya maka kinerja packed column semakin baik dan stabil. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Y.A dan M.N mengucapkan terima kasih kepada pembimbing yang sudah membimbing dan membantu baik secara materi ataupun non-materi hingga penelitian ini selesai tepat waktu. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada keluarga dan teman-teman yang sudah banyak mendukung penulis selama mengerjakan penelitian hingga penelitian ini selesai. DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
Tabel 8. Perbandingan nilai koefisien transfer dengan teoritis pada pelarut 1-octanol nilai kd untuk pelarut 1Laju octanol pelarut Eksperimen Permodela 3 (cm /min) (%) n (%) 0 0 0 10 0,0022492 0,0022613 20 0,0022555 0,0022855 30 0,0022594 0,0023097 40 0,0022884 0,0023339 % error rata-rata
massa eksperimen [4]
%error [5]
0 0,5351 1,3126 2,1778 1,9495 1,1950
[6]
[7]
Dari tabel 6, 7, dan 8 dapat dilihat perbandingan antara koefisien transfer massa fase disperse (kd) eksperimen dan teoritis pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl alcohol, dan 1octanol memiliki nilai yang hampir sama. Hal ini juga terlihat pada %error rata-rata yang dihasilkan masih di bawah 2%. Nilai %error pada kd lebih kecil dibandingkan dengan %error rata-rata pada %recovery etanol. Hal ini menunjukkan bahwa kinerja kolom cukup stabil terhadap nilai kd dibandingkan terhadap %recovery etanol. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Pada penelitian ini bisa diambil kesimpulan bahwa semakin kecil berat molekul pelarut (dalam hal ini semakin mendekati berat molekul etanol) maka pelarut tersebut semakin baik untuk mengekstrak etanol. Selain itu, pelarut yang memiliki berat molekul sama tapi memiliki struktur yang berbeda memiliki nilai koefisien kesetimbangan distribusi (KDE) yang berbeda pula dimana pada penelitian ini pelarut alkohol yang memiliki rantai n-amyl memiliki KDE lebih besar dibandingkan dengan pelarut yang memilki rantai iso-amyl. Selain itu, pada penelitian ini juga disimpulkan bahwa pelarut yang memiliki
4
[8]
[9] [10]
[11]
[12]
[13]
[14] [15]
Perry, Robert H., 1999, Perry’s Chemical Engineering’s Handbook, 6th edition, McGraw Hill Book Company, Singapore, page 3-75, 15-1 – 15-20. Minier, M., dan Goma,G., 1981, Production Of Ethanol By Coupling Fermentation and Solvent Extraction, Biotechnology Letters, Vol. 3, 405-408. Minier, M, Goma,G., 1982., Ethanol Production by Extractive Fermentation, Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXIV, 15651579. Kollerup,F. and Daugulis, A.J., 1985, A Mathematical Model for ethanol production by extractive fermentation in a continuous stirred tank fermentor, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 27, pp.13351346. Crabbe, P.G., Tse, C.W., and Munro, P.A. (1986),”Effect of Microorganismes on Rate of Liquid Extraction of Ethanol from Fermentation Broths”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 28, pp.939-943. Barros,M.R.A., Cabral,J.M.S., and Novais, J.M. (1987),”Production of Ethanol by immobilized Saccharomyces bayanus in an extractive fermentation syatem”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 29, pp.1097-1104. Fournier, R.L.(1987), “Mathematical Model of Microporous HollowFiber Membrana Extractive Fermentor”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 31, pp.235-239. 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. Laddha, G.S., Degaleesan, T.E,. 1978, Transport Phenomena in Liquid Extraction, McGraw-Hill, New York. Offeman, R.D., Stephenson, S.K., Robertson, G.H., dan Orts, W.J., 2005, Solvent Extraction of Ethanol from Aqueous Solutions. II. Linear, Branched, and Ring-Containing Alcohol Solvents, American Chemical Society Vol. 44 No. 17, 6797–6803. Offeman, R.D., Stephenson, S.K., Franqui, D., dan Cline, J.L., 2008, Extraction of ethanol with higher alcohol solvents and their toxicity to Yeast, Separation and Purification Technology 63, 444–451. Razmovski. R dan Vucuravic .V., 2012, Bioethanol production from sugar beet molasses and thick juice using Saccharomyces cerevisiae immobilized on maize stem ground tissue, Fuel 92, 1–8. Seibert, A.F., and Fair, J.R., 1988, Hydrodynamics and Mass Transfer in Spray and Packed Liquid-Liquid Extraction Column, Ind. Engr.Chem.Res., 470-481. Treybal,R.E., 1980, Mass Transfer Operations, 3rd ed, McGraw-Hill, New York. Widjaja, T., Soeprijanto, Altway, A., Gunawan, S., dan Darmawan,R., 2011, Ethanol Production From Molasses Using Immobilized Cells CaAlginate and K-Carrageenan By Mutation Zymomonas Mobilis In A Packed Bed Bioreactor, International Journal of Academic Research, Vol 2, 30-34.
