LAPORAN TUGAS AKHIR. Disusun Oleh: Ayu Permatasari Subekti

Transkripsi

1 digilib.uns.ac.id LAPORAN TUGAS AKHIR PEMBUATAN FERMENTOR SKALA LABORATORIUM UNTUK FERMENTASI BIOETANOL SECARA KONTINYU DENGAN BIOKATALIS YEAST YANG TER-IMOBILISASI DALAM KALSIUM ALGINAT Disusun Oleh: Agus Riyadi Ayu Permatasari Subekti Farid Rusman Hadi Fitri Widhiastuti I I I I PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2012 i

2 digilib.uns.ac.id ii

3 digilib.uns.ac.id KATA PENGANTAR Dalam penyusunan laporan tugas akhir ini Penulis telah mendapatkan banyak bimbingan, pengarahan, dan masukan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Bregas ST Sembodo S.T.,M.T., selaku Ketua Program Studi Diploma III Teknik Kimia, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik,. 2. Ir. Endah Retno D, M.T., selaku dosen pembimbing yang telah memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis sehingga penulis dapat menyusun laporan ini. 3. Orang tua dan saudara atas dukungan moril maupun materiil. 4. Mbak Anna, mas Agus, mas Rahmat, mbak Deni dan selaku laboran jurusan Teknik Kimia yang telah banyak membantu selama pelaksanaan tugas akhir. 5. Rekan rekan mahasiswa Program Diploma III Teknik Kimia FT UNS angkatan 2008 yang telah membantu dalam pelaksanaan tugas akhir dan penyusunan laporan tugas akhir. Dalam penyusunan laporan ini Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan, Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan penulisan laporan di masa yang akan datang.. Surakarta, Juli 2012 Penulis iii

4 digilib.uns.ac.id DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i LEMBAR PENGESAHAN... ii LEMBAR KONSULTASI... iii KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR LAMPIRAN... xii ABSTRACT... xiii INTISARI... xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang Masalah... 1 B. Perumusan Masalah... 2 C. Tujuan... 2 D. Manfaat... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 3 A. Bioetanol... 3 B. Proses Produksi bioetanol... 3 C. Teknik Imobilisasi Sel... 4 D. Fermentor... 5 E. Fermentasi Kontinyu menggunakan Fermentor Unggun Tetap (Packed Bed Fermentor)... 7 F. Kerangka Pemikiran... 9 BAB III METODOLOGI A. Alat dan Bahan B. Pengujian Alat BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Fermentor iv

5 digilib.uns.ac.id B. Pengujian Fermentor BAB V PENUTUP A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN v

6 digilib.uns.ac.id DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Data Titrasi Hasil Pengujian Kadar Etanol dan Kadar Gula Reduksi Tabel 4.2 Kadar Etanol dan Kadar Gula Reduksi Hasil Fermentasi vi

7 digilib.uns.ac.id DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Packed Bed Fermentor... 8 Gambar 3.1 Rangkaian Alat Produksi Bioetanol Gambar 3.2 Susunan Bahan Isian Fermentor Gambar 3.3 Tangki Umpan Gambar 3.4 Pompa Peristaltik Gambar 4.1 Fermentor Gambar 4.2 Alat Fermentor Gambar 4.3 Grafik Kurva Standar Kadar Etanol (%) vs Volume NaOH (ml).. 19 Gambar 4.4 Grafik Pengaruh Berat Yeast Terhadap Kadar Gula Reduksi pada Ketinggian Imobil Gambar 4.5 Grafik Pengaruh Berat Yeast 60 gr/250 ml Terhadap Kadar Gula Reduksi (mg/100 ml) pada ketinggian Imobil Gambar 4.6 Grafik Pengaruh Berat Yeast Terhadap Kadar Bioetanol yang Dihasilkan pada Ketinggian Imobil Gambar 4.7 Grafik Pengaruh Berat Yeast 60 gr/250 ml Terhadap Kadar Bioetanol (%) pada Ketinggian Imobil Gambar 4.8 Grafik Pengaruh Berat Yeast 60 gr/ 250 ml Terhadap Kadar Gula Reduksi (mg/ 250 ml) dan Bioetanol yang Dihasilkan (%) vii

8 digilib.uns.ac.id DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Analisa Kadar Gula Reduksi... L1 Lampiran 2 Analisa Ekonomi... L3 Lampiran 3 Foto... L5 viii

9 digilib.uns.ac.id ABSTRACT AGUS RIYADI, AYU PERMATASARI SUBEKTI, FARID RUSMAN HADI, FITRI WIDHIASTUTI, FINAL PROJECT REPORT ON LABORATORY-SCALE FERMENTOR FOR CONTINUOUS BIOETHANOL FERMENTATION WITH IMMOBILIZED YEAST IN CALCIUM ALGINATE CHEMICAL ENGINEERING DIPLOMA III STUDY PROGRAM OF SURAKARTA SEBELAS MARET UNIVERSITY. Ethanol is a chemical substance with many benefits including as solvent, antiseptic agent, liquor composition material, and alternative energy. The ethanol preparation process using in batch manner took long time thereby taking higher cost. Continuously fermentation could improve ethanol productivity because it took relatively shorter time and higher quantity of product. This process used calcium alginate-immobilized yeast content. Cellular immobilization is a process or method of entrapping fermentation cell physically in a certain room in which in this condition the cell still has activity, and can be used continuously and repetitively. The bioethanol production tools included column with filler as the media of bioethanol fermentation process occurrence using sugar solution pumped from the feeder tank to fermentor column through upflow with flow rate of 2.52 L/hour, then the product was accommodated in the reservoir. In continuously fermentation process, the sample was taken once in one hour for 5 hours with varied yeast weights (50g/250 ml, 60g/250 ml, and 70g/250 ml) as well as varied immobile heights (4 cm, 8 cm, and 12 cm) to be analyzed for its sugar and bioethanol levels. The highest bioethanol level was obtained at immobile height of 12 cm and yeast weight of 60 g/250 ml of 6.33%. Meanwhile, the highest reduction of sugar level occurred at immobile height of 12 cm and yeast weight of 60 g/ 250 ml by 25.55g/100 ml from g/100ml to g/100 ml. ix

10 digilib.uns.ac.id INTISARI AGUS RIYADI, AYU PERMATASARI SUBEKTI, FARID RUSMAN HADI, FITRI WIDHIASTUTI, LAPORAN TUGAS AKHIR PEMBUATAN FERMENTOR SKALA LABORATORIUM UNTUK FERMENTASI BIOETANOL SECARA KONTINYU DENGAN BIOKATALIS YEAST YANG TER-IMOBILISASI DALAM KALSIUM ALGINAT PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Etanol merupakan bahan kimia yang mempunyai banyak kegunaan, diantaranya sebagai pelarut, antiseptik (pembunuh kuman), bahan pembuatan minuman keras dan energi alternatif. Proses pembuatan etanol secara batch membutuhkan waktu yang lama sehingga memerlukan biaya produksi yang lebih mahal. Fermentasi secara kontinyu dapat meningkatkan produktivitas etanol karena memerlukan waktu yang relatif lebih singkat dan hasil yang didapat lebih banyak. Pada proses ini, menggunakan bahan isian yeast yang ter-imobilisasi dalam kalsium alginat. Imobilisasi sel adalah suatu proses atau metode untuk menjebak sel ragi secara fisik pada suatu ruang tertentu dimana pada kondisi ini sel masih memiliki aktivitas, serta dapat dipergunakan secara kontinyu dan berulang kali. Alat produksi bioetanol berupa kolom dengan bahan isian sebagai tempat terjadinya proses fermentasi bioetanol dengan menggunakan larutan gula yang di pompa dari tangki umpan menuju kolom fermentor melalui bagian bawah (upflow) dengan laju alir 2,52 L/jam, kemudian produk ditampung dalam tangki penampungan. Pada proses fermentasi secara kontinyu, sampel diambil setiap 1 jam selama 5 jam dengan variasi berat yeast (50 g/250 ml, 60 g/250 ml dan 70 g/250 ml) serta variasi ketinggian imobil (4 cm, 8 cm dan 12 cm) untuk dianalisa kadar gula dan kadar bioetanol. Kadar bioetanol terbesar dihasilkan pada ketinggian imobil 12 cm dengan berat yeast 60 g/250 ml sebesar 6,33%. Sedangkan penurunan kadar gula terbesar terjadi pada ketinggian imobil 12 cm dengan berat yeast 60 g/250 ml sebesar 25,55 g/100ml dari kadar 42,42 g/100ml menjadi 16,87 g/100ml. x

11 Laporan Tugas Akhir Pembuatan Fermentor Skala Laboratorium untuk digilib.uns.ac.id Fermentasi BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Etanol merupakan bahan kimia yang mempunyai banyak kegunaan, diantaranya sebagai pelarut, antiseptik (pembunuh kuman), bahan pembuatan minuman keras dan energi alternatif. Dalam proses pembuatannya, etanol dapat diproduksi dengan 2 cara, yaitu secara sintetik melalui reaksi kimia dan fermentasi. Proses fermentasi etanol dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu secara batch dan sinambung (continue). Kedua metode tersebut memiliki kekurangan dan kelebihan. Kelebihan dari proses batch antara lain mudah dilakukan, tetapi kekurangannya membutuhkan waktu yang cukup lama dalam proses fermentasi sehingga produktivitasnya rendah. Sedangkan untuk proses sinambung kelebihannya, waktu yang diperlukan relatif lebih singkat sehingga produktivitasnya tinggi, dan kerugiannya mudah terkontaminasi. Mikroorganisme merupakan salah satu faktor yang sangat berperan dalam fermentasi, mikroorganisme untuk proses fermentasi ada 3 jenis, yaitu bakteri, jamur dan yeast (ragi). Namun dalam hal ini yeast lebih sering digunakan dalam proses fermentasi, karena yeast lebih mudah dikembangbiakkan, lebih mudah dikontrol pertumbuhannya dan dapat menghasilkan etanol dengan konsentrasi yang tinggi. Teknik imobilisasi pada yeast merupakan suatu teknik untuk menjebak sel ragi secara fisik pada suatu ruang tertentu dimana pada kondisi ini sel masih memiliki aktivitas, serta dapat dipergunakan secara kontinyu dan berulang kali. Teknik tersebut merupakan metode untuk mengurangi pengeluaran biaya dalam proses fermentasi secara kontinyu khususnya dalam industri makanan dan minuman. Keuntungan dari teknik imobilisasi antara lain: bisa digunakan kembali beberapa kali dan tetap aktif, imobilisasi menjaga aktivitas yeast dari kondisi yang tidak diinginkan. Metode imobilisasi yang digunakan adalah penjebakkan enzim dalam suatu matriks. Sedangkan agen commit pengimobil to user yang digunakan adalah natrium 1

12 digilib.uns.ac.id 2 alginat dikarenakan tidak beracun, mekanisme kestabilan tinggi, dan prosedur sederhana. B. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, maka permasalahan dapat dirumuskan sebagai berikut: Bagaimana membuat fermentor unggun tetap yang dapat menghasilkan bioetanol dengan produktivitas tinggi melalui proses fermentasi secara kontinyu. C. Tujuan Tujuan tugas akhir ini adalah: 1. Merancang dan membuat fermentor (packed bed) skala laboratorium untuk fermentasi bioetanol secara kontinyu dengan biokatalis yeast yang ter-imobilisasi dalam kalsium alginat. 2. Mempelajari pembuatan bioetanol dari larutan gula secara kontinyu dengan biokatalis yeast yang ter-imobilisasi dalam kalsium alginat. D. Manfaat Manfaat dari tugas akhir ini adalah: 1. Bagi mahasiswa, mempelajari teknologi pembuatan bioetanol dari larutan gula secara kontinyu menggunakan fermentor (packed bed) dengan biokatalis yeast yang ter-imobilisasi dalam kalsium alginat. 2. Bagi masyarakat, mampu membuat bioetanol secara efisien sehingga didapatkan biaya produksi yang lebih rendah.

13 Laporan Tugas Akhir Pembuatan Fermentor Skala Laboratorium untuk digilib.uns.ac.id Fermentasi BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Bioetanol Bioetanol adalah etanol yang berasal dari sumber hayati. Bioetanol bersumber dari glukosa sederhana, pati (karbohidrat), dan selulosa. Setelah melalui proses fermentasi dihasilkan etanol. ( Dalam perdaganagan sehari-hari yang dimaksud dengan alkohol adalah etil alkohol atau etanol dengan rumus C 2 H 5 OH. Alkohol merupakan zat cair, tidak berwarna, berbau spesifik, mudah terbakar dan menguap, dapat bercampur dalam air dalam berbagai perbandingan. B. Proses Produksi Bioetanol B.1. Fermentasi Fermentasi merupakan proses metabolisme dimana terjadi perubahan kimia dalam substrat/bahan organik karena aktifitas enzim yang dihasilkan jasad renik. Disini sebagai substrat adalah glukosa dan jasad reniknya adalah Saccharomyces cerevisiae. Bila bahan dasarnya karbohidrat maka dihidrolisis dulu sehingga menjadi gula (glukosa) untuk fermentasi. Fermentasi larutan gula oleh Saccharomyces cerevisiae akan dihasilkan etanol dan CO 2 dengan reaksi sebagai berikut : S. cerevisiae C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 Glukosa Etanol Kabondioksida Faktor-faktor yang mempengaruhi proses fermentasi: 1. Keasaman (ph) Saccharomyces cerevisiae dapat tumbuh pada ph 2,8-8,5 dengan ph optimum 4,5-6,5. Secara mikrobiologi kondisi asam inilah yang menyebabkan terjadinya selektivitas populasi mikroba serta berbagai 3

14 digilib.uns.ac.id 4 jenis yeast yang tidak dikehendaki sehingga memungkinkan proses fermentasi dapat berlangsung dengan baik. 2. Mikroba Fermentasi biasanya dilakukan dengan kultur murni yang dihasilkan di laboratorium. Kultur ini dapat disimpan dalam keadaan kering atau dibekukan. Penggunaan kultur tunggal mempunyai resiko yang tinggi karena kondisi harus optimum. Untuk mengurangi kegagalan dapat digunakan biakan campuran. Keuntungan penggunaan biakan campuran adalah mengurangi resiko apabila mikrobia yang lain tidak aktif melakukan fermentasi. Kondisi mikroba ini dipengaruhi oleh: a. Suhu Suhu fermentasi sangat menentukan macam mikroba yang dominan Pada suhu o C terbentuk alkohol lebih banyak karena ragi bekerja optimal pada suhu itu. b. Waktu Laju perbanyakan bakteri bervariasi menurut spesies dan kondisi pertumbuhannya. c. Makanan (nutrisi) Semua mikroorganisme memerlukan nutrient yang menyediakan energi, nitrogen, dan mineral (Winarno, dkk, 1984). C. Teknik Imobilisasi Sel Proses imobilisasi sel adalah suatu proses atau metode untuk menjebak sel ragi secara fisik pada suatu ruang tertentu dimana pada kondisi ini sel masih memiliki aktivitas, serta dapat dipergunakan secara kontinyu dan berulang kali. Teknik imobilisasi sel dapat dilakukan dengan tiga cara, yaitu metode carrier binding, metode cross linking dan metode entrapping. Pada metode carrier binding, enzim diikatkan pada suatu matriks yang bersifat tidak larut dalam air. Sebagai matriks dapat digunakan bahan organik maupun anorganik. Bila commit menggunakan to user metode ini, hal yang perlu

15 digilib.uns.ac.id 5 diperhatikan adalah pemilihan matriks dan pengikatan enzim pada matriks tersebut. Metode cross linking didasarkan pada pembentukan ikatan intermolekuler antara molekul-molekul enzim. Gugus fungsional dalam molekul enzim yang biasa digunakan untuk pembentukan ikatan intermolekmuler adalah gugus α-amino pada asam amino terminal, gugus β- amino dari lisin, gugus fenolik dari tirosin, gugus sulhidril dari sistein dan gugus imidazole dari histidin. Pada metode entrapping ini biasanya dilakukan dalam matrik polimer dan merupakan metoda yang paling sering dipelajari untuk dikembangkan. Adapun polimer yang dapat digunakan adalah kolagen, gelatin, selulosa triasetat, alginat, karrageenan, agar, poliakrilamid, dan polistiren untuk menghasilkan sel imobil dalam bentuk manik-manik, kubus atau lembaran. Metoda penjebakan dengan matrik alginat lebih sering digunakan, karena sederhana dalam pelaksanaannya, dapat mempertahankan stabilitas dan aktivitas sel imobil, tidak beracun, dan mudah didapat. Yeast (Saccharomyces cerevisiae) dijerat atau dijebak dengan menggunakan gel kalsium alginat. Bila larutan natrium alginat dicampur dengan larutan CaCl 2 maka segera terbentuk gel yang tidak larut dalam air. Reaksi antara natrium alginat dengan CaCl 2 dapat dimanfaatkan dalam imobilisasi sel-sel ragi yang merupakan biokatalis dalam upaya memproduksi bioetanol dari larutan gula secara fermentasi. Fermentasi bioetanol dengan menggunakan sistem imobilisasi sel memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan cara konvensional karena dengan menggunakan sel terimobilisasi pemisahan produknya lebih mudah serta stabilitas sel dapat dipertahankan (Bangun, 1991). D. Bioreaktor Bioreaktor adalah reaktor untuk reaksi yang melibatkan makhluk hidup. Bahan yang digunakan commit untuk to pembuatan user bioreaktor biasanya berupa

16 digilib.uns.ac.id 6 poliakrilik, kaca dan stainless steel. Bahan poliakrilik dan kaca dapat digunakan secara langsung tanpa perlu mendapatkan perlakuan khusus, sebab kedua bahan ini tidak bereaksi terhadap suatu media. Akan tetapi fermentor berbahan poliakrilik lebih banyak digunakan sebab kaca mempunyai sifat yang rentan sehingga mudah pecah (fragile). Ada beberapa tipe bioreaktor yaitu fermentor batch, fermentor sinambung (continue) dan fermentor semi sinambung (fed batch). Fermentor batch adalah fermentor yang sederhana, dimana pada saat proses berlangsung tidak ada bahan yang masuk maupun yang keluar dari fermentor. Kondisi bahan maupun mikroorganisme dalam fermentor batch secara menyeluruh mengalami perubahan seiring dengan waktu sampai pada tingkat tertentu. Saat pemanenan produk, harus dilakukan proses lebih lanjut seperti pemurnian dan lain sebagainya. Fermentor sinambung (continue) adalah dimana nutrisi terus menerus ditambahkan dan produk yang dihasilkan terusmenerus diambil. Fermentor sinambung (continue) berlawanan dengan fermentor batch, dimana produk dipanen dan kemudian fermentor dibersihkan dan dipersiapkan untuk putaran berikutnya dari fermentasi. Fermentasi dalam fermentor unggun tetap (packed bed fermentor) lebih sering digunakan karena dapat meminimalkan kerusakan dan perubahan bentuk partikel biokatalis, mampu mencegah keluarnya partikel imobilisasi sel pada kondisi laju aliran masuk yang tinggi, mudah dalam pengontrolan sehingga diharapkan dapat meningkatkan produktivitas bioetanol dengan kadar tertentu. Fermentor semi sinambung (fed batch fermentor) adalah dimana nutrisi ditambahkan secara simultan dan pengeluaran produk dilakukan secara terputus-putus bukan terus-menerus.

17 digilib.uns.ac.id 7 E. Fermentasi Kontinyu menggunakan Fermentor Unggun Tetap (Packed Bed Fermentor) Salah satu teknologi untuk mendapatkan bioetanol dapat dilakukan melalui proses fermentasi dengan yeast yang ter-imobilisasi dalam kalsium alginat menggunakan bioreaktor kontinyu packed bed (Widjaja, Tri, dkk, 2009). Berdasarkan penelitian Tri Widjaja (2008), fermentasi gula berlangsung pada suhu 30 0 C, ph 4, konsentrasi glukosa 107 g/l (10% v/v), rate feed 2 ml/menit, dilution rate 1,2 jam -1 yang menggunakan bioreaktor unggun tetap (packed bed bioreactor) dengan biokatalis yeast yang terimobilisasi dalam kalsium alginat dengan konsentrasi 4%, 6%, dan 8% w/v. Dari hasil penelitian diperoleh hasil bahwa pada proses fermentai gula menggunakan Zymomonas mobilis dengan kadar kalsium alginat 6% w/v, didapatkan kadar etanol sebesar 104,14 g/l, produktivitas etanol sebesar 97,33 gr/l jam, dan yield etanol sebesar 52,07% dengan jumlah broth 1000 ml. Berdasarkan penelitian Ghasem Najafpour dkk (2009), fermentasi gula menggunakan Saccharomyces cerevisiae untuk produksi etanol dalam fermentor unggun tetap (packed bed fermentor) dilakukan untuk meningkatkan kinerja proses fermentasi. Dengan konsentrasi gula 50 g/l, waktu fermentasi selama 6 jam yang menggunakan biokatalis yeast yang terimobilisasi dalam kalsium alginat dengan kadar 4% w/v maka diperoleh hasil etanol sebesar 16,7%. Dalam penelitiannya, Imomobilized Cell Reactor (packed bed fermentor) memiliki ukuran kolom dengan diameter dalam 46 mm, diameter luar 50 mm dan tinggi 850 mm. Fermentor ini memiliki volume kerja 740 ml dan volume imobil 660 ml (70% dari volume kerja). Fermentasi etanol secara kontinyu, medium berupa larutan gula dari tangki umpan dipompa menuju kolom reaktor melalui bagian bawah (upflow) dengan laju alir tertentu, kemudian produk ditampung dalam tangki penampungan. Ilustrasi untuk commit penelitian to user ini dapat dilihat pada Gambar 2.1

18 digilib.uns.ac.id 8 Laporan Tugas Akhirr Pembuatan Fermentor Skala Laboratorium untuk Fermentasi Gambarr 2.1 Packed Bed Fermentor (Ghasem najafpour dkk, 2009)

19 digilib.uns.ac.id 9 F. Kerangka Pemikiran

20 Laporan Tugas Akhir Pembuatan Fermentor Skala Laboratorium untuk digilib.uns.ac.id Fermentasi BAB III METODOLOGI A. Alat Dan Bahan 1. Rangkaian Alat Produksi Bioetanol Keterangan : 1. Tangki umpan 2. Pompa Peristaltik 3. Fermentor dengan bahan isian 4. Termometer 5. Statif 6. Tangki penampung 7. Gelas beaker Gambar 3.1 Rangkaian Alat Produksi Bioetanol 10

21 digilib.uns.ac.id Susunan Bahan Isian Fermentor Keterangan : 1. Screen 2. Manik-manik 3. Imobil 4. Kelereng 5. Statif Gambar 3.2 Susunan Bahan Isian Fermentor 3. Tangki Umpan Gambar 3.3 Tangki Umpan

22 digilib.uns.ac.id Pompa Peristaltik Merk : Heidolph 5001 Jenis : Peristaltik Kec. Min : 10 rpm Kec. max : 120 rpm Tegangan : 220 volt Kuat Arus : 1 Ampere Frekuensi : 50 Hz Fungsi : Memompa larutan gula ke dalam fermentor Keterangan : 1. Rotation speed 2. Power switch 3. Direction of rotation Gambar 3.4 Pompa Peristaltik 5. Lokasi Pembuatan Alat Laboratorium Teknik Reaksi Kimia Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. B. Pengujian Alat 1. Sterilisasi Alat a. Sterilisasi alat Fermentor Fermentor dicuci dengan aquades, kemudian dibilas dengan alkohol 70%..

23 digilib.uns.ac.id 13 b. Sterilasasi alat-alat pendukung Sterilisasi semua alat pendukung (alat-alat gelas dan selang) dilakukan menggunakan autoclave (suhu 121ºC) selama 20 menit. 2. Pembuatan Bahan Isian a. Pembuatan starter ml larutan gula 17% disterilkan (dipanaskan pada suhu ºC selama 15 menit). 2. Larutan gula yang sudah disterilisasi ditambah nutrient (3,46 gram (NH 4 ) 2 SO 4 ; 1,02 gram KH 2 PO 4 ; 0,366 gram MgSO 4.7H 2 O) dan 24 gram Yeast kering (Saccharomyces cerevisiae). 3. Larutan diaerasi selama 1 jam larutan starter siap digunakan. b. Imobilisasi Sel Ragi ml larutan starter dicampurkan dengan 200 ml larutan Natrium alginat 4% (w/v). Campuran tersebut kemudian diteteskan ke dalam 1000 ml larutan CaCl 2 2% (w/v). Yeast yang sudah ter-imobilisasi dalam Kalsium alginat membentuk suatu imobil. 2. Imobil dibiarkan mengeras selama 30 menit lalu disaring dan dicuci 3. Fermentasi dengan larutan NaCl 0,85% (w/v). Imobil disimpan pada suhu 4 o C dengan larutan yeast extract 2% (w/v) sampai imobil itu digunakan. a. Sterilisasi Alat. b. Pembuatan yeast yang ter-imobilisasi dalam kalsium alginat. c. Pembuatan larutan medium fermentasi. d. Mengalirkan medium fermentasi melalui pompa peristaltik. e. Mengukur laju alir input dan output. f. Menampung larutan hasil fermentasi dan mengambil sampelnya. g. Menganalisa kadar gula reduksi dan bioetanol dalam sampel. 4. Analisa Kadar Gula Reduksi Hasil Fermentasi a. Standarisasi Larutan Fehling 1. Melarutkan 1,25 gram glukosa standar dengan 500 ml aquadest dalam labu takar 500 ml.

24 digilib.uns.ac.id Memasukkan larutan glukosa standar ke dalam buret 50 ml. 3. Memasukkan 5 ml Fehling A dan 5 ml Fehling B ke dalam erlenmeyer 100 ml. 4. Memanaskan larutan sampai mendidih dan melanjutkan pendidihan selama 2 menit. 5. Menambahkan 3 tetes indikator Methylen Blue kemudian menitrasi dengan larutan glukosa standar dari buret sampai terbentuk endapan merah bata. 6. Mencatat volume larutan glukosa standar yang digunakan untuk titrasi. 7. Melakukan percobaan titrasi sebanyak 3 kali dan mengambil volume rata rata. b. Penentuan Gula Reduksi dalam Sampel 1. Mengambil 1 ml hasil fermentasi kemudian mengencerkan sampai volume 100 ml sebagai larutan sampel. 2. Memasukkan larutan sampel tersebut ke dalam buret 50 ml. 3. Memasukkan 5 ml Fehling A dan 5 ml Fehling B ke dalam erlenmeyer 100 ml. 4. Memanaskan larutan sampai mendidih dan melanjutkan pendidihan selama 2 menit. 5. Menambahkan 3 tetes Methylen Blue kemudian menitrasi dengan larutan glukosa standar dari buret sampai terbentuk endapan merah bata. 6. Mencatat volume larutan sampel yang digunakan untuk titrasi. 7. Melakukan percobaan titrasi sebanyak 3 kali dan mengambil volume rata rata. 5. Analisa Produk Bioetanol a. Pembuatan Kurva Standar Alkohol 1. Membuat larutan standar alkohol dengan berbagai konsentrasi (2, 4 s.d 10% v/v).

25 digilib.uns.ac.id Melakukan titrasi larutan standar untuk setiap konsentrasi dengan cara: a. Mengambil 1 ml larutan standar alkohol dengan berbagai konsentrasi (2, 4 s.d 10% v/v) kemudian memasukkannya ke dalam erlenmeyer dan ditambahkan 1 ml larutan asam anhidrida asetat dan 2 tetes larutan indikator phenolftalein. b. Melakukan titrasi dengan menggunakan larutan NaOH 1M sampai terjadi perubahan warna menjadi merah muda. c. Mencatat kedudukan skala pada buret. 3. Membuat kurva standar alkohol dengan memplotkan kebutuhan larutan NaOH 1M sebagai sumbu x dan kadar alkohol sebagai sumbu y. b. Standarisasi Larutan NaOH Melakukan standarisasi larutan NaOH 1M menggunakan larutan asam oksalat 1M dengan cara: 1. Mengambil 5 ml larutan asam oksalat 1M dan ditambah dengan 2 tetes larutan indikator phenolftalein. 2. Melakukan titrasi dengan menggunakan larutan NaOH 1M sampai terjadi perubahan warna menjadi merah muda. c. Penentuan Kadar Alkohol 1. Mengambil sampel 1 ml kemudian dimasukkan dalam enlenmeyer dan ditambahkan 1 ml larutan asam anhidrida asetat dan 2 tetes larutan indikator phenolftalein. 2. Melakukan titrasi dengan menggunakan larutan NaOH 1M sampai terjadi perubahan warna menjadi merah muda kemudian mencatat kedudukan skala pada buret. 3. Menentukan kadar alkohol dengan cara memplotkan larutan NaOH 1M yang dibutuhkan pada titrasi sampel pada kurva standar alkohol.

26 Laporan Tugas Akhir Pembuatan Fermentor Skala Laboratorium untuk digilib.uns.ac.id Fermentasi BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Fermentor Fermentor berupa kolom yang terbuat dari bahan poliakrilik. Fermentor hasil perancangan ditunjukan pada Gambar 4.1 Keterangangambar : 1. Tempat pemasukan umpan 2. Kolom fermentor 3. Tempat pengeluaran gas CO 2 4. Tempat pengeluaran produk 5. Tempat pengukur suhu Gambar commit 4.1 Fermentor user 16

27 digilib.uns.ac.id 17 (a) (b)

28 digilib.uns.ac.id 18 Keterangan gambar : Tipe Fermentor Bahan Tinggi fermentor Tinggi bagian bahan isian Tinggi bagian atas Tinggi bagian bawah Diameter kolom (dalam) Tebal kolom Fungsi : unggun tetap (packed bed) fermentor : poliakrilik : 85 cm : 63,6 cm : 8,4 cm : 8 cm : 4,6 cm : 0,5 cm : tempat terjadinya proses fermentasi Gambar 4.2 Alat fermentor (a) Tampak atas, (b) Potongan B. Pengujian Fermentor Pengujian fermentor digunakan untuk pembuatan bioetanol secara kontinyu dengan bahan isian yeast yang terimobilisasi dalam kalsium alginat. Proses fermentasi dilakukan dengan menvariasikan berat yeast yang digunakan dalam starter dan ketinggian imobil dalam fermentor. Berikut merupakan data kondisi operasi fermentor : - Umpan : larutan gula 17% (w/v) - ph : Temperatur : (28 30) C - Yeast kering (Saccharomyces cerevisiae) : 60 gram/250 ml - Yeast yang terimobilisasi o Diameter imobil o Densitas imobil :± 5 mm :1,024 g/ml Pengambilan hasil fermentasi sebagai sampel dilakukan secara periodik setiap 1 jam sekali selama 5 jam untuk analisa kadar bioetanol dan kadar gula reduksi.

29 digilib.uns.ac.id 19 a. Pembuatan Kurva Standar Alkohol Pembuatan kurva standar alkohol bertujuan untuk menjadi acuan mengetahui kadar bioetanol yang dihasilkan dari proses fermentasi larutan umpan. Kadar bioetanol pada sampel ditentukan dengan cara titrasi asam basa. Hasil dari proses titrasi yaitu berupa penggunaan Natrium Hidroksida (NaOH) pada sampel yang dinyatakan sebagai sumbu x dan kadar alkohol sebagai sumbu y. Hasil kurva standar alkohol dapat dilihat pada gambar Kadar Alkohol (%) y = 0.387x R² = Volume NaOH (ml) Gambar 4.3 Grafik Kurva Standar Kadar Alkohol (%) vs Volume NaOH (ml)

30 digilib.uns.ac.id 20 b. Pengaruh Berat Yeast Terhadap Kadar Gula Reduksi dan Kadar bioetanol dalam Berbagai Variasi Ketinggian Imobil Tabel 4.1 Data Titrasi Hasil Pengujian Kadar bioetanol dan Kadar Gula Reduksi Tinggi Imobil (cm) Berat yeast (g/ 250ml) Volume Volume Waktu Volume Volume titran titran (jam) titran titran NaOH NaOH sampel sampel 0,5 M 0,5 M (ml) (ml) (ml) (ml) Volume Volume titran titran NaOH sampel 0,5 M (ml) (ml) 0 15,37-15,37-15, ,60 32,37 31,80 35,73 35,27 40, ,27 32,77 32,23 36,07 35,77 41, ,73 33,10 32,70 36,60 36,13 41, ,27 33,47 33,70 36,77 36,57 42, ,10 33,63 34,10 37,17 37,10 42, ,37-15,37-15, ,17 34,40 34,67 39,10 38,27 44, ,67 34,77 35,03 39,43 38,53 44, ,53 35,03 35,43 39,67 39,13 45, ,87 35,73 35,93 40,13 39,43 44, ,27 36,10 36,33 40,43 39,50 45, ,37-15,37-15, ,73 34,70 33,70 38,17 37,70 43, ,20 35,27 34,50 38,53 38,13 44, ,70 35,77 34,50 39,10 38,50 44, ,13 36,37 35,17 39,33 39,00 44, ,60 36,70 35,63 39,77 39,77 45,17

31 digilib.uns.ac.id 21 Tabel 4.2 Kadar bioetanol dan Kadar Gula Reduksi Hasil Fermentasi Berat yeast (g/ 250ml) Tinggi Imobil (cm) Kadar Kadar Waktu gula Kadar gula Kadar (jam) reduksi bioetanol reduksi bioetanol (g (%) (g (%) /100ml) /100ml) Kadar gula Kadar reduksi bioetanol (g (%) /100ml) 0 42,42-42,42-42, ,02 1,32 20,93 2,62 18,95 4, ,45 1,47 20,66 2,75 18,68 4, ,11 1,60 20,38 2,95 18,50 4, ,70 1,74 19,79 3,02 18,29 5, ,08 1,81 19,56 3,18 18,05 5, ,42-42,42-42, ,03 2,10 19,26 3,92 17,50 5, ,66 2,25 19,68 4,05 17,39 6, ,11 2,35 18,86 4,14 17,14 6, ,89 2,62 18,60 4,32 17,01 6, ,64 2,76 18,41 4,47 16,87 6, ,42-42,42-42, ,65 2,22 19,79 3,56 17,76 5, ,34 2,44 19,35 3,70 17,56 5, ,00 2,63 19,28 3,92 17,41 6, ,72 2,87 19,00 4,01 17,20 6, ,44 2,99 18,75 4,18 16,98 6,27

32 digilib.uns.ac.id Kadar Gula Reduksi (g/ 100 ml) kurva berat yeast 50 g/ 250 ml kurva berat yeast 60 g/ 250 ml kurva berat yeast 70 g/ 250 ml Kadar Gula Reduksi (g/ 100 ml) Waktu (jam) (a) kurva berat yeast 50 g/ 250 ml kurva berat yeast 60 g/ 250 ml kurva berat yeast 70 g/ 250 ml Waktu (jam) (b)

33 digilib.uns.ac.id Kadar Gula Reduksi (g/ 100 ml) kurva berat yeast 50 g/ 250 ml kurva berat yeast 60 g/ 250 ml kurva berat yeast 70 g/ 250 ml Waktu (jam) (c) Gambar 4.4 Grafik Pengaruh Berat Yeast Terhadap Kadar Gula Reduksi pada Ketinggian Imobil (a) 4 cm, (b) 8 cm, (c) 12 cm Dari Gambar 4.4 di atas terlihat untuk waktu fermentasi yang semakin lama kadar gula reduksi semakin menurun. Hal ini disebabkan karena glukosa diubah menjadi bioetanol pada waktu fermentasi, sehingga glukosa yang ada pada larutan umpan semakin berkurang seiring dengan bertambahnya bioetanol yang terbentuk. Penurunan kadar gula reduksi yang cukup signifikan terjadi pada 1 jam pertama karena pada saat awal fermentasi ini terjadi penyerapan glukosa oleh yeast yang digunakan untuk metabolisme sel dan memulai aktivitas. Pada saat ini yeast melakukan aktivitas yang paling banyak dan merupakan keadaan paling sensitif terhadap kondisi lingkungan. Pada Gambar 4.4 dapat dilihat bahwa kadar gula yang tersisa semakin kecil dengan semakin bertambahnya berat yeast dan tinggi imobil yang digunakan. Berat yeast akan commit berpengaruh to user langsung pada produksi bioetanol

34 digilib.uns.ac.id 24 yang dihasilkan. Semakin banyak yeast yang digunakan maka glukosa yang terkonversi menjadi bioetanol dan yang terkonsumsi untuk bertahan hidup oleh yeast akan semakin meningkat dan sisa glukosa yang tidak terkonversi pada aliran produk semakin kecil. Pada Gambar 4.4 (a) dapat dilihat untuk ketinggian imobil 4 cm dengan berat yeast 50 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 20,34 g /100 ml, dan untuk berat yeast 60 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 21,78 g /100 ml sedangkan berat yeast 70 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 21,98 g /100 ml. PadaGambar 4.4 (b) dapat dilihat untuk ketinggian imobil 8 cm dengan berat yeast 50 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 22,85 g /100 ml, dan untuk berat yeast 60 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 24,01 g /100 ml sedangkan berat yeast 70 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 23,86 g /100 ml. Pada Gambar 4.4 (c) dapat dilihat untuk ketinggian imobil 12 cm dengan berat yeast 50 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 24,37 g /100 ml, dan untuk berat yeast 60 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 25,55 g /100 ml sedangkan berat yeast 70 g/250 ml terjadi penurunan kadar gula 25,43 g /100 ml. Penurunan kadar gula terbesar terjadi pada ketinggian imobil 12 cm dengan berat yeast 60 g/250 ml sebesar 25,55 g /100ml dari kadar 42,42 g/100 ml menjadi16,87 g /100 ml. Kadar Gula Reduksi (g/ 100 ml) kurva ketinggian 4 cm kurva ketinggian 8 cm kurva ketinggian 12 cm Waktu (jam)

35 digilib.uns.ac.id 25 Gambar 4.5 Grafik Pengaruh BeratYeast 60 g/250 ml Terhadap Kadar Gula Reduksi (g/100 ml) pada ketinggian Imobil 4 cm, 8 cm dan 12 cm Dari Gambar 4.5 dapat dilihat bahwa untuk berat yeast yang sama dengan ketinggian imobil yang berbeda (4 cm, 8 cm, 12 cm) kadar gula sisa semakin kecil. Berkurangnya kadar gula di dalam fermentor tidak hanya akibat dari terkonversi menjadi bioetanol tetapi juga karena sebagian terkonsumsi untuk mempertahankan hidup yeast, selain itu semakin banyak jumlah imobil yang digunakan untuk proses fermentasi di dalam fermentor. Bioetanol yang dihasilkan dari proses fermentasi sinambung dengan berat yeast yang berbeda dapat dilihat pada Gambar Kadar Bioetanol (%) kurva berat yeast 50 g/ 250 ml kurva berat yeast 60 g/ 250 ml kurva berat yeast 70 g / 250 ml Waktu (jam) (a)

36 digilib.uns.ac.id 26 Kadar Bioetanol (%) kurva berat yeast 50 g/ 250 ml kurva berat yeast 60 g/ 250 ml kurva berat yeast 70 g/ 250 ml Waktu (jam) (b) Kadar Bioetanol (%) kurva berat yeast 50 g/ 250 ml kurva berat yeast 60 g/ 250 ml kurva berat yeast 70 g/ 250 ml Waktu (jam) (c)

37 digilib.uns.ac.id 27 Gambar 4.6 Grafik Pengaruh Berat Yeast Terhadap Kadar Bioetanol yang Dihasilkan pada Ketinggian Imobil (a) 4 cm, (b) 8 cm, (c) 12 cm Dari Gambar 4.6 terlihat bahwa produksi bioetanol meningkat secara berkala seiring dengan bertambahnya waktu mulai jam ke-0 sampai jam ke-5. Pada jam ke-0 belum ada bioetanol yang terbentuk sedangkan pada jam ke-1 sampai jam ke-5 bioetanol yang dihasilkan meningkat, hal ini disebabkan karena glukosa diubah menjadi bioetanol pada waktu fermentasi. Pada Gambar 4.6 dapat dilihat juga bahwa kadar bioetanol yang dihasilkan semakin meningkat dengan bertambahnya berat yeast dan tinggi imobil yang digunakan. Berat yeast akan berpengaruh langsung pada produksi bioetanol yang dihasilkan. Semakin banyak yeast yang digunakan maka glukosa yang terkonversi menjadi bioetanol dan sisa glukosa yang tidak terkonversi pada aliran produk semakin kecil. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.6 (a) dapat untuk ketinggian imobil 4 cm pada jam ke-5 dengan berat yeast 50 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 1,81%, dan untuk berat yeast 60 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 2,76 % sedangkan berat yeast 70 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 2,99 %. Pada Gambar 4.6 (b) dapat dilihat untuk ketinggian imobil 8 cm pada jam ke-5 dengan berat yeast 50 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 3,18%, dan untuk berat yeast 60 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 4,47% sedangkan berat yeast 70 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 4,18%. Pada Gambar 4.6 (c) dapat dilihat untuk ketinggian imobil 12 cm pada jam ke-5 dengan berat yeast 50 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 5,31%, dan untuk berat yeast 60 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 6,33% sedangkan berat yeast 70 g/250 ml kadar bioetanol yang dihasilkan 6,27%. Kadar bioetanol terbesar dihasilkan pada ketinggian imobil 12 cm dengan berat yeast 60 g/250 ml sebesar 6,33%.

38 digilib.uns.ac.id Kurva ketinggian 4 cm kurva ketinggian 8 cm kurva ketinggian 12 cm Kadar Bioetanol (%) Waktu (jam) Gambar 4.7 Grafik Pengaruh Berat Yeast 60 g/250 ml Terhadap Kadar Bioetanol (%) pada Ketinggian Imobil 4 cm, 8 cm dan 12 cm Dari Gambar 4.7 dapat dilihat bahwa untuk berat yeast yang sama dengan ketinggian imobil yang berbeda (4 cm, 8 cm, 12 cm) kadar bioetanol yang dihasilkan semakin besar. Semakin lamanya waktu fermentasi maka semakin banyak larutan umpan yang dikonversi menjadi produk bioetanol. Hal ini terjadi karena waktu kontak yang terjadi semakin lama antara yeast dengan larutan umpan sehingga pengkonversian glukosa menjadi bioetanol meningkat pula. Dari hasil pengujian diperoleh kadar bioetanol, penurunan kadar gula dan produktivitas bioetanol maksimal pada proses fermentasi dalam fermentor packed bed terjadi pada berat yeast 60 g/250 ml dengan ketinggian 12 cm yaitu: 6,33% (v/v), 25,55g /100 ml dan3,52 g/l.jam. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 4.8

39 digilib.uns.ac.id kurva kadar Bioetanol 45 Kadar Bioetanol (%) kurva kadar Gula Reduksi Kadar Gula Reduksi (mg/100ml) Waktu (jam) Gambar 4.8 Grafik Pengaruh Berat Yeast 60 g/ 250 ml Terhadap Kadar Gula Reduksi (g/ 100 ml) dan Bioetanol yang Dihasilkan (%) Seperti terlihat pada Gambar 4.8 kadar gula reduksi berbanding terbalik dengan nilai kadar bioetanol. Semakin lamanya waktu fermentasi kadar gula semakin menurun sedangkan kadar bioetanol semakin meningkat. Hal ini terjadi karena kontak antara imobil dengan larutan umpan semakin lama sehingga pengkonversian glukosa menjadi bioetanol meningkat pula. Dari hasil penelitian yang dilakukan Tri widjaja (2009), fermentasi secara batch dengan lama proses fermentasi selama 52 jam, konsentrasi gula 18% dengan Saccharomyces cerevisiae diperoleh produktivitas etanol sebesar 0,25 g/l.jam dan kadar 8,92 g/l. Sedangkan pada proses fermentasi secara kontinyu dengan teknik imobilisasi commit kalsium to user alginat dalam fermentor unggun

40 digilib.uns.ac.id 30 tetap (packed bed) didapat hasil bahwa produktivitas dan kadar etanol tertinggi pada konsentrasi gula 17% masing-masing sebesar 3,52 g/l.jam dan kadar 17,62 g/l. Hasil ini menunjukkan bahwa proses fementasi secara kontinyu dengan teknik imobilisasi sel mempunyai produktivitas dan kadar lebih baik dibanding dengan proses fermentasi secara batch.

41 digilib.uns.ac.id BAB V KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan 1. Fermentor unggun tetap (packed bed) dapat memproduksi bioetanol secara kontinyu. Fermentor ini terbuat dari bahan poliakrilik, dengan tinggi 85 cm, diameter kolom (dalam) 4,6 cm dan tebal kolom 0,5 cm. 2. Pembuatan bioetanol dari larutan gula 17% (w/v) menggunakan fermentor unggun tetap dengan biokatalis yeast yang ter-imobilisasi dalam kalsium alginat menghasilkan bioetanol kadar 6,33% dan produktivitas bioetanol 3,52 g/l.jam. B. Saran 1. Memperbaiki desain fermentor dengan perlengkapan alat kontrol (flowmeter) sehingga dapat diterapkan dalam skala pilot plant. 2. Menggunakan jenis bahan isian yang berbeda (karagenan) sehingga produktivitas bioetanol meningkat. 3. Untuk meningkatkan produktifitas dan kadar bioetanol dapat dilakukan dengan memperbanyak bahan isian serta menambah tinggi kolom fermentor. 4. Pada skala industri, untuk menghindari tangki umpan mengalami penyusutan dan mengalirkan umpan ke fermentor dapat menggunakan udara tekan dari kompresor yang telah melalui proses filtrasi. 31