STUDI KINETIKA TEKNOLOGI FERMENTASI ETANOL DENGAN PENDEKATAN “MINIMAL RESIDUAL SUBSTRAT”
Rosdiana Muin
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jl.Raya Palembang – Prabumulih Km.32, Inderalaya 30662
ABSTRAK Dari suatu substrat organik yang paling efektif dan efisien, dimana pati yang terkandung dalam bahan dasar tersebut akan mengalami proses hidrolisa dengan putusnya ikatan polimer molekul pati menjadi monomer-monomernya (glukosa) oleh adanya aktifitas enzim glukoamilase yang dihasilkan oleh Aspergillus niger L74 yang ditumbuhkan dalam media black koji, kemudian glukosa yang terbentuk langsung di degradasi menjadi etanol oleh sel ragi saccharomyces cerreviceaae R60 dalam suatu tahap pada satu bio reaktor (fermentor), sehingga dengan demikian tidak terjadi akumulasi glukosa yang akan menghambat jalannya proses Tahap Sakarafikasi Fermentasi Bertujuan Untuk memperoleh efisiensi yang tinggi, karena setiap glukosa yang dihasilkan pada proses sakarafikasi langsung dipergunakan oleh selsel ragi sebagai substrat untuk pembentukan etanol. Dari segi kinetika fermentasi proses SFS sangat menguntungkan, karena dapat menghindari akumulasi glukosa dalam medium yang dapat menyebabkan terhambatnya kerja (aktivitas) enzim disebabkan tingginya tekanan osmosa larutan.
I. PENDAHULUAN Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa parameter kinetika pada minimal residual substrat (sisa substrat minimal) sehingga dimungkinkan untuk pengembangan sistim teknologi proses fermentasi etanol dari onggok yang lebih effisien dan ekonomis. Terdapat 4 hal penting saling berkaitan yang perlu dipertimbangkan pada pengembangan industri fermentasi etanol yang lebih efisien dan ekonomis yaitu : 1. Mulai menggunakan strain mikro organisma yang paling aktif yang tersedia 2. Memanfaatkan bahan dasar sebagai sebagai substratnya yang murah dan tersedia dalam jumlah berlimpah dari sumber yang terbaharui (renewable source) 3. Reaksi enzimatis dengan memanfaatkan sel mikroba yang melakukan proses biokonversi substrat organik tersebut untuk membentuk
Jurnal Teknik Kimia, No.1, Vol. 15, Januari 2008
4.
etanol harus dipelajari (mempelajari mekanisma reaksi enzimatis) Kondisi operasi fermentasi terbaik harus diteliti dan ditentukan, sehingga tercapai konversi pembentukan etanol yang maksimal dengan konsentrasi sisa minimal pada akhir proses
Dengan demikian maka penelitian ini dilakukan mengacu kepada 4 hal tersebut di atas. Tahapan, Sasaran Dan Metoda Berdasarkan Kerangka Acuan Tahapan : 1. Seleksi mikro organisma unggul 2. Mencari kondisi optimum Sasaran : Mendapatkan kondisi optimum proses yang meliputi : pH, Temperatur, konsentrasi substrate, konsentrasi enzim dengan menggunakan mikro
15
organisma selektif dalam proses bio konversi onggok menjadi etanol II. FUNDAMENTAL Sakarafikasi Fermentasi Simultan : Adalah satu tahapan proses biokonversi pembentukan Etanol Dari suatu substrat organik yang paling efektif dan efisien, dimana pati yang terkandung dalam bahan dasar tersebut akan mengalami proses hidrolisa dengan putusnya ikatan polimer molekul pati menjadi monomermonomernya (glukosa) oleh adanya aktifitas enzim glukoamilase yang dihasilkan oleh Aspergillus niger L74 yang ditumbuhkan dalam media black koji, kemudian glukosa yang terbentuk langsung di degradasi menjadi etanol oleh sel ragi saccharomyces cerreviceaae R60 dalam suatu tahap pada satu bio reaktor (fermentor), sehingga dengan demikian tidak terjadi akumulasi glukosa yang akan menghambat jalannya proses (Ueda, S 1984)
aktif. Peningkatan ini sangat tergantung pada : a. Faktor Biologis ; bentuk dan sifat mikro organisma terhadap lingkungannya. b. Faktor Non Biologis ; nutrisi, temperatur, pH, cahaya, dsb. Bila faktor-faktor tersebut optimal maka peningkatan jumlah sel & produktivitasnya akan maksimal. Tahapan Aktifasi, Adaptasi Bertujuan Untuk : 1. Mendapatkan sel dalam keadaan sehat dan aktif sehingga fase lag pada fermentasi berikutnya diperpendek. Dengan demikian waktu reaksi lebih cepat karena kemampuannya untuk membentuk produk sangat reaktif. 2. Untuk mendapatkan sel dalam jumlah yang cukup besar, sehingga dapat menjalankan fungsinya sebagai bio katalis secara optimum.
Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : Hidrolisa enzimatis (C6H10O5)n + n H2O C6H12O6 glukosa
fermentasi
Tahap Sakarafikasi Untuk : n C6H12O6 Gluko amilase
2 C2 H5OH + 2CO2 + 22 kcal etanol
Fase-Fase Yang Dilalui Pada Pertumbuhan Sel 1.
Fase Adaptasi : • Selama fase ini perubahan bentuk & pertumbuhan jumlah individu tidak secara nyata terlihat. Karena fase ini dapat juga dinamakan sebagai fase adaptasi (penyesuaian) atau fase pengaturan jasad untuk suatu persiapan aktivitas di dalam lingkungannya yang mungkin baru. Grafik selama fase ini cenderung mendatar. 2. Fase Aktivasi (eksponensial) : • Setelah jasad renik (mikro organisma) menyesuaikan diri atau beradaptasi, maka setelah itu mulai mengadakan penambahan bentuk dan meningkatkan jumlah sel sehingga sel tumbuh dalam jumlah yang cukup besar dalam keadaan sehat dan
16
Fermentasi
Bertujuan
Memperoleh efisiensi yang tinggi, karena setiap glukosa yang dihasilkan pada proses sakarafikasi langsung dipergunakan oleh sel-sel ragi sebagai substrat untuk pembentukan etanol. Dari segi kinetika fermentasi proses SFS sangat menguntungkan, karena dapat menghindari akumulasi glukosa dalam medium yang dapat menyebabkan terhambatnya kerja (aktivitas) enzim disebabkan tingginya tekanan osmosa larutan. Mekanisma Yang Terjadi Pada Proses Sfs : Proses Sakarafikasi : Pemecahan bahan organik komplek (pati) menjadi senyawa lebih sederhana yaitu : monomermonomernya (glukosa) dengan bantuan mikro organisma tertentu ataupun enzim sehingga terjadi proses hidrolisa Pati glukosa Proses Fermentasi : Monomer-monomer pada tahap ke 2 ini akan menjadi substrat bagi mikro organisma pada proses fermentasi Glukosa etanol, CO2 dan energi.
Jurnal Teknik Kimia, No.1, Vol. 15, Januari 2008
Pada tahap ini terjadi bio konversi glukosa menjadi etanol dengan konsentrasi tertentu pada interval waktu t.
•
Waktu fermentasi lebih singkat, karena menggunakan mikro organisma selektif.
Cara Penentuan Hasil Fermentasi : III. METODOLOGI PENELITIAN Metoda Yang Dipakai Melakukan experiment pada skala lab dengan cara : 1. Aktifasi, adaptasi dan seleksi mikro organisma untuk penyiapan inkokulum sebagai umpan fermentor 2. Penelitian pendahuluan untuk penyiapan suatu kondisi optimum proses SFS 3. Mempelajari mekanisma kinetika reaksi fermentasi 4. Pengulangan percobaan yang hasilnya belum representatif
Parameter kontrol selama berlangsung proses fermentasi etanol dilakukan dengan cara tidak langsung, yaitu dengan cara mengukur kehilangan berat dalam selang waktu tertentu yang disebabkan oleh pelepasan gas CO2 ; cara tersebut dilakukan karena cukup akurat, yang didasari dengan alasan sebagai berikut : 1.
2.
Tahapan Penelitian Yang Sudah Dilakukan : 1.
2.
3.
Tahap aktifasi, adaptasi dan seleksi 4 strain Aspergillus niger L74, Aspergillus niger L76, Aspergillus niger L77, dan Aspergillus oryzae L24 untuk menentukan strain mana yang mempunyai aktifitas tertinggi pada proses sakarafikasi pati menjadi glukosa Tahap aktifasi, adaptasi dan seleksi 4 strain ragi saccharomyces cerreviceae R60, R62, R63, dan A3. Untuk menentukan strain mana yang mempunyai aktivitas tertinggi pada proses fermentasi glukosa menjadi etanol Tahap proses sacarafikasi fermentasi simultan menggunakan mikro organisma selektif. SFS adalah proses dimana sakarafikasi dan fermentasi dilakukan secara bersamaan dalam suatu sistim (fermentor). Keunggulan proses SFS dilihat dari hasil yang diperoleh : ternyata proses SFS jauh lebih efektif dan efisien, karena • Energi yang diperlukan jauh lebih kecil, • Proses dapat berlangsung dalam suhu kamar dengan derajat konversi dapat lebih tinggi dibandingkan proses enzimatis bertahap, • pada proses SFS tidak akan terjadi akumulasi glukosa seperti yang kita ketahui [glukosa] yang tinggi akan menghambat kerja (aktifitas) mikro organisma, karena tekanan osmosa lingkungan menjadi tinggi, sehingga cairan dalam sel akan keluar dan mikro organisma akan mati.
Jurnal Teknik Kimia, No.1, Vol. 15, Januari 2008
3.
Kondisi fermentasi harus selalu dijaga an aerob ; maka arah konversi akan beralih pada asimilasi sel. Mendapatkan kemudahan metodologi, yang merupakan persyaratan utama sehingga pengujian yang cepat untuk sejumlah strain dapat dikerjakan peningkatan efisiensi (waktu, biaya, dan peralatan)
Metoda Pengolahan Dan Analisis Data : Berdasarkan Hukum Kekekalan Massa yang dinyatakan dalam bentuk perhitungan material balance reaksi yang terjadi Contoh : Kandungan pati per 100 gr onggok : 63% 63/100 x 100 = 63 gr pati Etanol teoriritis : jumlah etanol yang terbentuk apabila semua pati terkonversi Reaksi pembentukan etanol dari pati : C6H12O6 C6H10O5 + H2O Basis : 63 gr pati
63 63 C6H10O5 ~ mol 162 162 H2O ~
63 mol glukosa 162
BN pati : 162 : H2O :18 : glukosa : 180 : CO2 : 44 dan BM etanol : 46 Jumlah glukosa yang terbentuk =
63 X 180 gr = 70 gr glukosa 162
17
Glukosa yang terbentuk dikonversi oleh Yeast saccharomyces cerreviceae menjadi etanol, menurut reaksi berikut : C6H12O6
2 C2H5OH + 2 CO2
70gr mol C H O ~ 2 70 mol C H OH 6 12 6 2 5 X 180 1 180 2 70 mol CO ~ X 2 1 180 Jumlah etanol teoritis yang terbentuk =
2 70 X 46 gr etanol =35,8 gr X 1 180 Etanol hasil percobaan basis 32 gr CO2 terbentuk, maka jumlah etanol hasil percobaan :
IV. KESIMPULAN Beberapa hal yang dapat diharapkan dari penelitian ini adalah : 1. Menerapkan teknologi tepat guna untuk mendaur ulang limbah padat industri topioka sehingga menghemat pemakaian sumber daya alam 2. Sebagai sumbangan pemikiran dan ilmu pengetahuan yang bermanfaat untuk pengembangan industri etanol di Indonesia 3. Antisipasi penanggulangan makin seriusnya pencemaran akibat adanya limbah padat industri topioka, sehingga mempunyai dampak positif terhadap perbaikan dan pelestarian lingkungan 4. Apabila dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif akan dapat menghemat pemakaian bahan bakar minyak dan energi lainnya.
32 X BM etanol = 0,727 X 46 gr = 33,45 gr 44 DAFTAR PUSTAKA Jumlah glukosa yang bereaksi :
1 32 X 180 gr = 65,45 gram X 2 44
Voele $ Wheelen, 1989, Mikrobiologi Dasar, Erlangga, Jakarta.
Jumlah substrat (glukosa) sisa = 4,55 gram
Srikandi Fardiaz, 1992, Mikrobiologi Pangan, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.
65,45 X 100% X Eff pemanfaatan substrat = 70 = 93,50% % yield =
33,45 X 100 X 33,45% 100
Jumlah pati yang tidak terkonversi
4,55 4,55 mol glukosa ~ mol pati 180 180 4,55 = X 100 = 6,49% 180
Steve Prentis, 1990, Bioteknologi suatu Revolusi Industri, Erlangga, Jakarta. Mulyono Judoamidjoyo, Fermentasi, PAV Bogor.
1992, Teknologi Bioteknologi IPB,
Sardjoko, 1991, Bioteknologi, Pustaka Utama, Jakarta.
PT.
Gramedia
Dengan cara yang sama, perhitungan untuk datadata yang lain di program komputasi.
18
Jurnal Teknik Kimia, No.1, Vol. 15, Januari 2008
