PENINGKATAN PRODUKTIVITAS ETANOL DARI MOLASES DENGAN TEKNIK IMMOBILISASI DI BIOREAKTOR PACKED BED

Transkripsi

1 FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 28 Surabaya, 5 November 28 ISSN PENINGKATAN PRODUKTIVITAS ETANOL DARI MOLASES DENGAN TEKNIK IMMOBILISASI DI BIOREAKTOR PACKED BED R.Darmawan, Tri Widjaja (*) Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jl. Arief Rahman Hakim, Keputih Sukolilo, Surabaya 6111 Telp : , Fax : kajur_tkimia@its.ac.id, r_darmawan@chem-eng.its.ac.id Abstrak Pengembangan bahan bakar alternatif yang dapat diperbarui dengan murah dan ramah lingkungan yaitu dengan memproduksi serta memanfaatkan etanol atau bioethanol sebagai gasohol. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan produktivitas etanol yang meningkat yang ditinjau dari yield etanol yang lebih besar dan laju produksi yang tinggi. Pada proses produksi etanol atau bioethanol ini menggunakan bahan baku yang berasal dari molases dengan proses fermentasi dengan mikroorganisme Zymomonas mobilis. Untuk mendapatkan produktivitas etanol yang tinggi akan dilakukan percobaan dengan teknologi produksi etanol secara kontinyu di Bioreaktor Packed-bed. Pada proses ini dengan mengubah konsentrasi gula pada feed, serta immobilisasi sel menggunakan media Ca-Alginat. Dalam penelitian ini pada konsentrasi glukosa dalam molases 1% (17 g/lt) dan pada konsentrasi Ca-alginat 6 % w/v merupakan kondisi yang optimum dimana menghasilkan kadar, yield serta produktivitas etanol yang maksimal yaitu masing-masing sebesar = g/l, 5.14 %, 12,876 g/lt.j, sedangkan fermentasi secara batch menghasilkan kadar, yield serta produktivitas etanol masing- masing sebesar = 7,39 g/l, 23 %,,25 g/lt.j. Kata Kunci : Etanol, molases, Zymomonas mobilis, Bioreaktor Packed-bed, immobilisasi sel 1. Pendahuluan Kebutuhan manusia terhadap bahan bakar minyak semakin meningkat, sedangkan cadangan energi minyak bumi (fosil) setiap harinya semakin berkurang. Diperkirakan konsumsi bahan bakar minyak dunia pada tahun sekitar 19 juta barel per hari, atau dua kali lipat dari konsumsi BBM saat ini. (Departemen ESDM, 28). Oleh karena itu perlu adanya pengembangan sumber energi lain sebagai alternatif yang murah dan dapat diperbarui guna mengurangi ketergantungan BBM. Khususnya di Indonesia, pemerintah berharap ketergantungan terhadap konsumsi bahan bakar fosil, berkurang dari 52 % menjadi 2 %. (Departemen ESDM, 28), seperti diterbitkan PP No: 5 Tahun 26 tentang kebijakan Energi Nasional untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai bahan bakar pengganti minyak. Produksi bioetanol yang dikembangkan saat ini dapat dibuat dari bahan baku yang mengandung glukosa, pati, dan selulosa. Glukosa dapat berasal dari kandungan molases yang dikonversi secara langsung menjadi etanol. Bahan baku utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah molases karena lebih ekonomis, ditinjau dari harga bahan baku (molases) relatif murah yang merupakan hasil samping dari pembuatan gula, serta untuk memanfaatkan hasil samping dari pembuatan gula dalam berbagai produk. Proses Fermentasi konvensional yang umumnya dijalankan dengan proses batch, sebagai upaya untuk memudahkan kontrol proses fermentasi dari kontaminasi mikroorganisme, mempunyai kendala bahwa konsentrasi etanol yang dihasilkan sangat rendah karena produksi etanol yang terakumulasi akan meracuni mikroorganisme pada proses fermentasi. Akumulasi dari produk terlarut yang bersifat racun akan menurunkan secara perlahan-lahan dan bahkan dapat menghentikan pertumbuhan serta produksi dari mikroorganisme (Minier dan Goma, 1982). Sehingga untuk menghindari kendala konsentrasi etanol yang dihasilkan sangat rendah karena produksi etanol yang terakumulasi akan meracuni mikroorganisme pada proses fermentasi secara batch, maka pada peneltian ini juga dilakukan proses fermentasi secara kontinyu, kemudian membandingkan hasil proses fermentasi keduanya Penelitian penelitian terkait dengan produksi etanol antara lain : W.Grote, K.J Lee dan P.L Rogers (198), Continous Ethanol Production By Immobilized Cells of Zymomonas Mobilis. Pada penelitian ini sugar cane juice mengalami proses fermentasi dengan immobilisasi cell Zymomonas Mobilis menggunakan Caalginate dan κ karaginan. Kondisi media PH = 5 dan temperatur 3 C. Konsentrasi mula-mula immobilisasi cell Zymomonas Mobilis = 28.6 g/l dengan konversi dari konsentrasi glukosa 15 g/l pada rate larutan.3/h. Pada cell immobilisasi dengan Ca-alginat, produktifitas maksimal = 44 g/l/h pada rate larutan.85 /h. Sedangkan pada cell immobilisasi dengan κ-karaginan, produktifitas maksimal = 53 g/l/h pada rate larutan.8 /h.

2 FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 28 Surabaya, 5 November 28 ISSN M. Minier dan G. Goma, (1981), Ethanol Production by Extractive Fermentation. Dalam ekstraksi liquid-liquid fermentasi produk inhibitor diambil dengan menggunakan solvent. Dalam percobaan ini solvent yang digunakan adalah dodecanol. Fermentasi alcohol di capai pada suhu 35 C menggunakan Saccharomyces cerevisiae, adsorbansi sel sebagai referensi. Hasil dari penelitian pada konsentrasi glukosa 49 g/l menunjukkan bahwa total produksi etanol sebesar.85 g/l h sedangkan jika menggunakan konvensional fermentasi hasil yang terbentuk hanya sebesar.27 g/l h. M.R Aires Baros, JMS Cabral & JM Novais, (1986), Production of Ethanol by Immobilized Saccharomyces Bayanus in an Extractive Fermentasion System. Pada sistem fermentasi-ekstraksi menggunakan immobilisasi sel Saccharomyces Bayanus dengan media κ karaginan untuk mengembangkan produksi etanol pada konsentrasi gula tinggi, dengan mengubah variable konsentrasi gula 2 g/l, 3 g/l, dan 4 g/l.. Pada penelitian ini, solven yang digunakan adalah oleic acid. Hasil dari penelitian ini untuk produksi etanol secara batch maksimal dicapai pada konsentrasi glukosa 2 g/l sebesar 91.6 g/l. Pada kondisi secara kontinyu dengan immobilisasi menggunakan media κ karaginan konsentrasi 4,5 % dicapai hasil yang maksimal pada saat konsentrasi glukosa 3 g/l sebesar 122 g/l dan stabil pada konsentrasi glukosa 4 g/l. Sedangkan dengan immobilisasi menggunakan media κ karaginan konsentrasi 3,5 % dicapai hasil yang maksimal pada saat konsentrasi glukosa 3 g/l sebesar 122 g/l, kemudian mengalami penurunan pada konsentrasi glukosa 4 g/l menjadi 118 g/l. Yekta Goksungur, (21), Production of Ethanol from Beet Molases by Ca-Alginate Immobilized Zymomonas mobilis Cells in a Packed-Bed Bioreactor. Percobaan ini dilakukan untuk menaikan yields dan menurunkan kadar gula residu. Dimana temperatur di jaga pada suhu 3 C, rate larutan,22 h -1. Maximum etanol (4,62%), yield teoritis (82,9%) dan volumetric productivity (1,16 gl -1 h -1 ) didapat dari beet molases yang mengandung 1,9% gula total dengan 2,-2,4 mm diameter beads yang berasal dari larutan sodium alginate 2%. Sebagai perbandingan untuk rate larutan constant,22 h -1 untuk 25 hari, konsentrasi etanol (3,94%), yield teorities (7,7%) dan produktivity (8,67 gl -1 h -1 ) di dapat didalam continuous stirred bioreactor. Mulyanto, (22), Pengaruh Suhu terhadap Mikroba Zymomonas mobilis dan Saccaromices cerevisiae pada Fermentasi Etanol dengan media Glukosa. Berdasarkan penelitian diketahui bahwa pada suhu 3 C sampai 4 C fermentasi dapat berlangsung dengan baik, sedangkan pada 45 C fermentasi tidak berlangsung dengan baik pada suhu terakhir tersebut Zymomonas mobilis masih dapat hidup, namun Saccaromices cerevisiae sudah mati. Produktivitas tertinggi diperoleh pada fermentasi dengan suhu 4 C untuk Zymomonas mobilis sebesar 1,737 g/l.j, sedangkan Saccaromices cerevisiae diperoleh pada suhu 3 C yaitu 1,121 g/l.j. Pada suhu 3 C dihasilkan biomass Zymomonas mobilis dan Saccaromices cerevisiae terbesar dengan laju pertumbuhan spesifik masing masing untuk Zymomonas mobilis 1,687 kg sel.kg sel -1 j -1 dan Saccaromices cerevisiae sebesar,169 kg sel.kg sel -1 j -1. Hasil fermentasi yang relatif baik pada penelitian ini pada suhu 4 C dengan yield etanol terhadap glukosa masuk sebesar 35,91% untuk Zymomonas mobilis, sedangkan untuk Saccaromices cerevisiae terjadi pada suhu 3 C dengan yield etanol terhadap glukosa masuk sebesar 17,29 %. Untuk meningkatkan produktivitas etanol yang disertai dengan kualitas yang tinggi, maka dilakukan percobaan dengan teknik fermentasi dari molases secara kontinyu dengan menggunakan bakteri Zymomonas mobilis dengan teknik immobilisasi di media sel Ca-alginat dilanjutkan ekstraksi bioreaktor packed-bed. 2. Metodologi Pelaksanaan penelitian meliputi : pretreatment molases, pembuatan starter, proses fermentasi dan proses ekstraksi a. Pretreatment molases Sebelum digunakan, molases yang diperoleh dari pabrik gula yang mempunyai kadar 5% diencerkan dengan aquadest sesuai dengan variabel yang telah ditentukan. Selanjutnya molases dibersihkan dari kotoran dengan menyaring kemudian menambahkan H 2 SO 4 untuk mengendapkan CaSO4 dan mengontrol ph, setelah disterilisasi dalam autoclave. b. Pembuatan Starter Pengembangan kultur Melarutkan 4 gram PDA dengan aquadest hingga volumenya 1 ml kemudian didihkan hingga semua agar melarut.dan memasukkan dalam tabung reaksi masing-masing 6 ml, menutup mulut tabung dengan kapas. Mensterilkan dalam autoclave pada suhu 121 o C selama 15 menit, lalu mendinginkannya dengan posisi miring, setelah agar mengeras, mengambil biakan murni dengan kawat ose steril dalam incase. Menggoreskan kawat ose pada permukaan media agar yang baru dan menutup kembali dengan kapas kemudian menginkubasikan pada suhu 3 o C. Pembuatan Production Medium

3 FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 28 Surabaya, 5 November 28 ISSN Mencampur 1 liter molases encer (1, 8 %v/v) dengan (NH 4 ) 2 SO 4 5 gram, KH 2 PO 4 1,5 gram, MgSO 4.7H 2 O,5 gram, kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H 2 SO 4 sampai ph 4. Pembuatan Cell Immobilisasi Mencampur media nutrisi yaitu, gukosa 15 gram, (NH 4 ) 4 SO 4 18 gram, Na 2 HPO 4 1 gram, KH 2 PO 4 5 gram, MgSO 4.7H 2 O 5 gram dan yeast ekstrak 1 gram + biakan, kemudian dimasukkan dalam inkubator shaker selama 36 jam. Mencampur 5 ml media nutrisi dengan 5 ml larutan Na-alginat 4%, 6%, dan 8%. Kemudian 1 ml campuran Alginat-Cell ditambahkan dalam 1 ml larutan CaCl 2 2%, hingga larutan tersebut berbentuk padat. Setelah 3 menit, padatan yang terbrentuk dicuci dengan,85 % NaCl untuk mengurangi kelebihan ion ion. Untuk meningkatkan pertumbuhan cell, diinkubasi semalam di dalam production medium dengan shaking selama 24 jam. Padatan disimpan di dalam 2% yeast ekstrak pada temperatur 4 o C sampai cell digunakan. c. Proses Fermentasi Immobilisasi sel Ca-alginat yang terbentuk dimasukkan dalam tray dalam fermentor sesuai dengan konsentrasi yang telah divariabelkan. Molases steril yang telah divariabelkan (v/v) dialirkan dalam fermentor dengan rate sesuai variabel. Mengalirkan larutan hasil fermentasi (brooth) ke dalam kolom ekstraktor dan sebagian brooth dialirkan kembali ke fermentor (di-recycle). d. Proses Ekstraksi Mengalirkan solvent ke dalam kolom ekstraktor untuk dikontakkan dengan brooth dari fermentor. Hasil ekstraksi dianalisa dengan refraktometer untuk analisa indeks bias dan setelah mencapai keadaan steady, sampel di analisa dengan GC (Gas Cromatogafi). Set-Up Peralatan Penelitian Keterangan : 1 Molases 2 Fermentor 3 Ca-Alginat 4 Broth produk fermentor 5 Ekstraktor 6 Packed bed 7 Ekstrak 8 Solvent 9 Pompa peristaltik 1 Rafinat 11 Statif Gambar 1 Set-up Peralatan Produksi Etanol dengan Kombinasi Proses Fermentasi- Ekstraksi

4 FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 28 Surabaya, 5 November 28 ISSN Hasil dan Diskusi 1 Fermentasi Konvensional ( secara batch ) 1.1. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Hasil Etanol Tabel 1. Hasil Pengamatan Fermentasi dengan Konsentrasi Glukosa dalam Molases 1 % v/v secara Batch Jam ke- Jumlah Sel (sel/ml) Sel Kering (g/1ml) Kadar etanol (g/l ) Yield % 4 1, , , , 8 1, , , ,1 16 1, , ,8 3.54,3 24 2,.1 6 9,.1 6 4, ,6 32 2, , , ,12 4 2, , , , , , , ,2 5 3, , , ,21 Produktivitas (g/l.j) Kadar Etanol (g/l) Waktu Fermentasi (Jam) Gambar 2. Kadar Etanol (g/l) Vs Waktu Fermentasi (jam) pada Konsentrasi Glukosa dalam Molases 1 % Proses fermentasi berlangsung selama 5 jam pada kondisi fakultatif anaerob. Dari gambar 1 terlihat bahwa produksi etanol meningkat secara berkala seiring dengan bertambahnya waktu mulai jam ke- sampai jam ke-48. Pada jam ke-16 sampai jam ke-32 terjadi peningkatan kadar etanol yang cukup tinggi hal ini disebabkan karena bertambahnya jumlah sel Zymomonas mobilis yang sedang dalam tahap pertumbuhan/ memasuki fase eksponensial. Dengan semakin bertambahnya jumlah sel tersebut maka Zymomonas mobilis yang akan memfermentasi glukosa akan semakin banyak, sehingga kadar etanol akan meningkat. Produksi etanol mulai mencapai kondisi steady state dimulai saat jam ke-48 dan berakhir pada jam ke-5 sehingga dapat dikatakan bahwa 5 jam adalah merupakan waktu maximal yang dicapai oleh Zymomonas mobilis untuk mengkonversi glukosa menjadi etanol. Untuk mendapatkan produktivitas etanol yang optimal dan efisien dengan cara konvesional (proses secara batch) memiliki kendala, karena pada konsentrasi tertentu etanol dapat meracuni bakteri, akibatnya dapat menghambat produktivitas pembentukan etanol. Guna mengatasi masalah tersebut digunakan suatu proses alternatif yaitu fermentasi secara kontinyu yang dilanjutkan dengan ekstraksi. Kadar Etanol (g/l) Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%) Gambar 3. Kadar Etanol pada Berbagai Konsentrasi Glukosa dalam Molases Pada gambar 3, gambar 4 dan gambar 5 diketahui bahwa pada konsentrasi glukosa 1% kadar, yield, dan konsentrasi etanol yang dihasilkan lebih besar dibandingkan dengan yang dihasilkan pada konsentrasi glukosa 8% dan 4% hal ini disebabkan pada konsentrasi glukosa 1% mempunyai kepekatan glukosa lebih tinggi

5 FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 28 Surabaya, 5 November 28 ISSN daripada konsentrasi glukosa 8% dan 4%. Sehingga, pada konsentrasi glukosa 1% terjadi pertambahan jumlah sel zymomonas mobilis yang menyebabkan kemampuan untuk pengkonversian etanol menjadi bertambah Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Yield Etanol Yield merupakan perbandingan banyaknya produk etanol dengan gula (substrat) yang digunakan. Yield Etanol (%) Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%) Gambar 4. Yield Etanol pada Berbagai Konsentrasi Glukosa dalam Molases 1.3. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Produktivitas Etanol Produktivitas Etanol (g/l.j) Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%) Gambar 5. Produktivitas Etanol pada Berbagai Konsentrasi Glukosa dalam Molases 2 Fermentasi Kontinyu 2.1. Pengaruh Konsentrasi Ca-Alginat terhadap Kadar Etanol 6 53,652 Kadar Etanol (g/l) ,33 41,28 Ca-alginat 4% Ca-alginat 6% Ca-alginat 8% Konsentrasi Glukosa (%v/v) Gambar 6. Kadar Etanol (g/l) Vs Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%v/v) pada Konsentrasi Ca-alginat 4, 6, 8 (%w/v) Dari gambar 6, gambar 7 dan gambar 8 pada masing-masing konsentrasi glukosa diperoleh kadar, yield, dan produktivitas etanol terendah pada konsentrasi Ca-alginat 8 % hal ini disebabkan terlalu pekatnya konsentrasi Ca-alginat yang mengakibatkan sulitnya molases untuk difermentasi menjadi etanol karena terhalang oleh dinding immobilisasi sel Ca-alginat yang terlalu kuat. Sedangkan pada konsentrasi Ca-alginat 6% didapatkan kadar, yield, dan produktivitas etanol tertinggi pada masing-masing konsentrasi glukosa, hal ini disebabkan oleh adanya konsetrasi Ca-alginat yang sesuai menyebabkan kestabilan ikatan antar molekul sehingga dapat menghasilkan kadar etanol yang optimum.

6 FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 28 Surabaya, 5 November 28 ISSN Pengaruh Konsentrasi Ca-Alginat terhadap Yield Etanol ,773 47,93 5,142 Yield Etanol (%) Ca-alginat 4% Ca-alginat 6% Ca-alginat 8% Konsentrasi Glukosa (%v/v) Gambar 7. Yield Etanol (%) Vs Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%v/v) pada Konsentrasi Ca-alginat 4, 6, 8 (%w/v) 2.3. Pengaruh Konsentrasi Ca-Alginat terhadap Produktivitas Etanol 14 12, ,847 Produktivitas Etanol (g/l.j) ,113 Ca-alginat 4% Ca-alginat 6% Ca-alginat 8% Konsentrasi Glukosa (%v/v) Gambar 8. Produktivitas Etanol Vs Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%v/v) pada Konsentrasi Ca-alginat 4, 6, 8 (%w/v) 2.4. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Kadar Etanol Kadar Etanol (g/l) ,74 53, % Ca-Alginat (%w/v) 41,817 Molases 4% Molases 8% Molases 1% Gambar 9. Kadar Etanol (g/l) Vs Konsentrasi Ca-alginat (%w/v) pada Konsentrasi Glukosa 4, 8, 1 (%v/v) Berdasarkan gambar 9, gambar 1 dan gambar 11, didapatkan kadar, yield dan produktivitas etanol yang tinggi pada saat konsentrasi gula dalam molases 1 % (%v/v) jika dibandingkan pada saat konsentrasi gula 4 %, 8 %, hal ini dikarenakan pada konsentrasi glukosa yang lebih tinggi maka tersedia lebih banyak bahan yang dibutuhkan untuk dikonversikan menjadi etanol sehingga produk akhir sebagai etanol pun akan bertambah

7 FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 28 Surabaya, 5 November 28 ISSN Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Yield Etanol 6 48,667 5,142 5 Yield Etanol (%) ,81 Molases 4 % Molases 8 % Molases 1 % % Ca-Alginat (%w/v) Gambar 1. Yield etanol (%) Vs Konsentrasi Ca-Alginat (%w/v) pada Konsentrasi Glukosa dalam Molases 4, 8,1 (%v/v) 2.6. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Produktivitas Etanol Produktivitas Etanol (g/l.j) ,498 12, % Ca-Alginat (%w/v) 1,36 Molases 4% Molases 8% Molases 1% Gambar 11. Produktivitas etanol Vs Konsentrasi Ca-alginat (%w/v) pada Konsentrasi Glukosa dalam Molases 4, 8,1 (%v/v) 4. Kesimpulan Dari hasil penelitian maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Kadar etanol yang dihasilkan dari fermentasi kontinyu lebih baik dari fermentasi secara batch ditinjau dari kadar etanol yang dihasilkan dalam proses fermentasi untuk fermentasi kontinyu sebesar g/l, fermentasi batch sebesar 7,39 g/l, dari yield etanol pada fermentasi kontinyu yield sebesar 5.14 %, sedangkan pada fermentasi batch yield sebesar 23 %, serta produktivitas etanol pada fermentasi kontinyu produktivitas sebesar 12,876 g/lt.j sedangkan pada fermentasi batch produktivitas sebesar,25 g/lt.j. 2. Konsentrasi Ca-alginat dan konsentrasi glukosa dalam molases yang digunakan dapat berpengaruh terhadap kadar etanol, yield dan produktivitas dimana pada konsentrasi Ca-alginat 6 % w/v dan konsentrasi glukosa dalam molases 1 % v/v merupakan konsentrasi maksimal yang dapat menghasilkan etanol yang lebih tinggi. DAFTAR PUSTAKA 1. Goksungur, Yekta. Nese Zorlu, Production of Ethanol From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreaktor. Turkey, Minier, M, and Goma, G, Ethanol Production by Extractive Fermentation, J Biotechnology and Bioengineering, 34, , M.R Aires Baros, JMS Cabral & JM Novais, Production of Ethanol by Immobilized Saccharomyces Bayanus in an Extractive Fermentasion System, Mulyanto, Pengaruh Suhu terhadap Mikroba Zymomonas mobilis dan Saccaromices cerevisiae pada Fermentasi Etanol dengan media Glukosa, Tesis S-2 ITS, Surabaya, 22.

8 FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 28 Surabaya, 5 November 28 ISSN W. Grote, K.J Lee dan P.L Rogers, Continuous Ethanol Production by Immobilized Cells of Zymomonas Mobilis, 198.