Kajian Pengaruh Ukuran Penambat Pada Fermentasi Etanol Secara Continue dengan Batu Apung Sebagai Media Penambat Pada Fermentor Kolom Fixed Bed

Transkripsi

1 Kajian Pengaruh Ukuran Penambat Pada Fermentasi Etanol Secara Continue dengan Batu Apung Sebagai Media Penambat Pada Fermentor Kolom Fixed Bed Ronny Kurniawan, S.Juhanda, Hany Figurhawa, Muhhamad Gandi Program Studi Teknik Kimia, FTI, Itenas Bandung, Jl. PHH. Mustafa No 23 Bandung Abstract Ethanol production is increasing every year due to the great need. Ethanol is widely used as chemical synthesis ingredient, as a solvent and can be used as a fuel mixture of gasoline, there by ethanol become an alternative renewable fuel. Difficulties often encountered in the fermentation process, namely the separation of the product of yeast used. Tethered cell method (immobilized cell) may be one method that can be used as an alternative, and pumice can be used as an immobilized media. The purpose of this study was to determine ethanol concentration and value of ethanol yield in the continues fermentation process using coloumn fixed bed fermenters with pumice as an immobilized cell media and comparing with free cell condition. The parameters in this study is glucose concentration of 150 g / L with a temperature of 34 C, ph 4.5, substrat flow rate of 0,555 ml/min, pumice height is 50% fermentor height, and the number of cells that is tethered. While the variable in this study include the condition of the cell that is free and immobilized, pumice size with mesh 6/8 and mesh 16/18. Results obtained with the best conditions on a continuous ethanol fermentation in a fixed bed column was obtained on condition of immobilized cells with a pumice size mesh 16/18 with ethanol consentrasion of 61.8 % v/ v, the value of ethanol yield at 23,22% w / w and the average percentage of cells that escape 0.213%. Keywords: Ethanol, fermentation, immobillized cell, pumice Pendahuluan Etanol adalah sejenis cairan tak berwarna yang memiliki banyak kegunaan. Etanol banyak digunakan sebagai sintesa bahan kimia dan sebagai pelarut. Tidak hanya sebagai pelarut dan sintesa bahan kimia, etanol dengan konsentrasi tinggi juga dapat digunakan sebagai campuran bahan bakar bensin(wasito, 1981). Produksi etanol secara fermentasi pada umumnya memiliki masalah dalam prosesnya terutama yang dilakukan secara continue, yaitu dalam hal pemisahan produk dimana masih sulitnya memisahkan mikroorganisme yang ikut terbawa ke aliran produk ketika proses fermentasi berlangsung sehingga hal tersebut akan berdampak pada penurunan kinerja proses fermentasi dalam menghasilkan etanol. Untuk mengatasi permasalahan tersebut bisa dilakukan dengan menambatkan terlebih dahulu mikroorganismenya ke dalam media penambat sehingga diharapkan sel mikroorganisme tidak akan mudah terbawa aliran ke luar fermentor dan cara seperti ini dinamakan dengan cara penambatan sel atau immobilized cell. Immobilized cell adalah suatu sel yang secara fisik terlokalisasi/terjerat pada suatu daerah tertentu. Sel tersebut tetap mempunyai aktivitasnya sebagai biokatalisator/katalis, serta sel tersebut dapat dipergunakan secara terus menerus dan sangat penting untuk proses continue. Dengan sistem ini, sel dapat lebih tahan terhadap perubahan kondisi seperti ph, juga temperatur. Sistem ini juga membantu sel berada di tempat tertentu selama berlangsungnya reaksi sehingga memudahkan proses pemisahan dan memungkinkan untuk dipakai lagi di reaksi lain (Sumo, dkk, 1983). Baiknya kinerja fermentor yang menggunakan sel tertambat sangat dipengaruhi antara lain oleh jenis penambat, cara penambatanya, ukuran penambat terutama untuk penambatannya dengan cara adsorpsi, dan jenis fermentor yang digunakannya. Jenis penambat yang baik untuk penambatan secara adsorpsi harus memiliki permukaan yang luas dan ringan sehingga mudah bergerak menyerupai free cell, cara penambatan akan berpengaruh terhadap kekuatan sel tersebut melekat pada penambat, ukuran penambat terutama untuk penambatannya dengan cara adsorpsi akan berpengaruh pada luas media penambatnya, dan jenis fermentor akan berpengaruh pada kinerja proses fermentasinya. Batu apung (pumice) adalah jenis batuan yang berwarna terang, mengandung buih yang terbuat dari gelembung berdinding gelas, dan biasanya disebut juga gelas volkanik silikat. Batuan ini terbentuk dari magma asam oleh aksi letusan gunung api yang mengeluarkan materialnya ke udara kemudian mengalami transportasi secara horizontal F01-1

2 dan terakumulasi sebagai batuan piro klastik. Batu apung bisa dimanfaatkan sebagai media penambat terutama untuk penambatan sel secara adsorpsi karena memiliki pori yang cukup besar sehingga akan berpengaruh terhadap luas permukaan, ringan, dan bersifat innert namun memiliki kekurangan bersifat mudah hancur. Pada umumnya proses fermentasi secara continue bisa menggunakan beberapa fermentor, yaitu stirred tank fermentor, mixed flow fermentor, fludized bed fermentor dan fixed bed fermentor, permasalahan yang sering timbul pada penggunaan yaitu kerusakan dan perubahan bentuk partikel, serta ikut keluarnya partikel immobilized cell pada kondisi laju aliran masuk yang tinggi sehingga pada umumnya fixed bed fermentor, mungkin lebih baik digunakan karena dapat meminimalkan kerusakan dan perubahan bentuk partikel, serta mencegah keluarnya partikel immobilized cell pada kondisi laju aliran masuk yang tinggi (Hartoto dan Liesbeti, 2008). Tujuan dari penelitian ini adalah Membandingkan kondisi terbaik yang ditinjau dari konsentrasi etanol dan perolehan etanol menggunakan fermentor kolom fixed bed dengan kondisi sel tertambatkan atau immobilized cell dengan batu apung ukuran mesh 6/8 dan mesh 16/18 sebagai media penambatnya dan dengan kondisi free cell. Metodologi Pendekatan Penelitian Fermentasi etanol dilakukan secara continue dalam fermentor kolom fixed bed. Fermentasi etanol dilakukan dalam dua kondisi berbeda yaitu kondisi immobilized cell dengan ukuran penambat mesh 6/8 dan mesh 16/18 dan kondisi free cell menggunakan ragi Saccharomyces cerevisiae. Media penambat yang digunakan adalah batu apung dengan metode penambatan sel secara adsorpsi. Proses fermentasi dilakukan pada kondisi ph 4,5, suhu 30 0 C, konsentrasi umpan glukosa 150 g/l, dan dilakukan pada waktu fermentasi 1 hari (1,652 ml/min), 2 hari (0,828 ml/min), dan 3 hari (0,55 ml/min) dengan volume fermentor 4,2 L Peralatan Penelitian Peralatan utama yang digunakan di dalam penelitian ini adalah sebagai berikut Keterangan Gambar 1 Skema dan Foto Alat Fermentor Kolom Fixed Bed Prosedur Kerja Penelitian ini dilakukan dalam tiga tahap : 1. Tahap pendahuluan yang terdiri dari tahap pertumbuhan ragi dan tahap penambatan sel 2. Tahap pembentukan produk etanol pada fermentor kolom fixed bed, dan 3. Tahap pemurnian etanol melalui proses distilasi. F01-2

3 Analisis Analisis yang dilakukan pada penelitian ini adalah analisis konsentrasi etanol dengan metode refraktometri, analisis konsentrasi glukosa dengan metode Somogyi-Nelson, dan analisis jumlah sel dengan metode Counting Chamber. Hasil dan Pembahasan Pengaruh Waktu Pengambilan Sampel terhadap Konsentrasi Etanol pada Kondisi Free Cell dan Immobilized Cell (a) (b) (c) Gambar 2. Kurva Pengaruh Waktu Pengambilan Sampel Terhadap Konsentrasi Etanol Hasil Distilasi untuk Kondisi Free cell dan Immobillized cel dengan Ukuran Penambat Batu Apung mesh 6/8 dan mesh 16/18 dengan Waktu Fermentasi (a) 1 hari (b) 2 hari (c) 3 hari Pada fermentasi continue dimana pada fermentornya berlaku sistem terbuka, ada penambahan media baru, ada kultur yang keluar, volume tetap dan fase fisiologi sel konstan (Rusmana, 2008). Gambar 2 menunjukan adanya pengaruh konsentrasi etanol pada berbagai variasi kondisi, untuk waktu fermentasi yang sama proses fermentasi F01-3

4 dengan kondisi immobilized cell menghasilkan konsentrasi etanol yang lebih tinggi dibandingkan dengan kondisi free cell, baik untuk waktu fermentasi 1 hari, 2 hari maupun waktu fermentasi 3 hari. Hal ini dikarenakan pada proses fermentasi secara immobilized cell kemungkinan ragi yang terbawa serta ke aliran produk (wash out) sangat kecil sehingga jumlah ragi di dalam kolom fermentor tidak banyak berkurang meskipun jumlah ragi awal yang berada di fermentornya lebih sedikit dibandingkan dengan kondisi free cell. Semakin kecil ukuran batu apung untuk massa batu apung yang sama maka luas permukaannya akan semakin besar sehingga memungkinkan semakin banyaknya jumlah ragi yang tertambat pada permukaan batu apung. Pada gambar 2 juga terlihat bahwa semakin lama waktu pengambilan sempel maka konsentrasi etanol semakin meningkat hingga pada suatu waktu tertentu akan dicapai kondisi steady state dengan konsentrasi etanol yang relatif stabil, hal ini juga menunjukan bahwa ragi yang beraktivitas di dalam kolom fermentor jumlahnya relatif sama atau tidak berubah karena antara sel yang hidup atau berkembang biak akan relatif sama dengan sel yang mati dan hilang karena terbawa aliran produk. Semakin lama waktu fermentasi maka semakin tinggi konsentrasi etanol yang dihasilkan dan berdasarkan data yang tersaji pada gambar 2 untuk waktu fermentasi 3 hari belum terjadi inhibisi produk. Nilai %yield pada fermentasi etanol ditampilkan pada gambar 3 dimana dalam perhitungan nilai % yield ini membandingkan berat etanol produk terhadap berat glukosa umpan. (a) (b) (c) Gambar 2. Kurva Pengaruh Waktu Pengambilan Sampel Terhadap Nilai % Yield Untuk Kondisi Free cell dan Immobillized cel dengan Ukuran Penambat Batu Apung mesh 6/8 dan mesh 16/18 dengan Waktu Fermentasi (a) 1 hari (b) 2 hari (c) 3 hari F01-4

5 Pengaruh Kondisi Fermentasi (free cell dan immobilized cell) dan Waktu Fermentasi Terhadap Jumlah Sel yang Lepas Tabel 1 Perbandingan Jumlah Sel yang Lepas dengan Waktu Fermentasi 1 Hari Tabel 2. Perbandingan Jumlah Sel yang Lepas Waktu Fermentasi 2 Hari Tabel 3. Perbandingan Jumlah Sel yang Lepas Waktu Fermentasi 3 Hari Dari Tabel 1, 2, dan 3 dapat dilihat bahwa dari ketiga kondisi maka kondisi immobilized cell dengan media penambat batu apung mesh 16/18 memiliki persentasi sel yang terlepas lebih kecil dibandingkan kondisi lainnya yaitu immobilized cell dengan batu apung mesh 6/8 maupun kondisi free cell, hal ini disebabkan immobilized cell dengan batu apung mesh 16/18 dapat menambatkan sel dengan jumlah yang lebih banyak karena luas permukaan media batu apung tersebut untuk jumlah massa yang sama lebih besar sehingga dapat menambatkan sel lebih banyak. Persentasi sel yang lepas baik untuk kondisi free cell maupun immobilized cell cenderung menurun seiring semakin lamanya waktu fermentasi hal ini disebabkan laju aliran produk yang mungkin masih membawa sel yang lepas semakin kecil seiring dengan semakin lamanya waktu fermentasi sehingga jumlah sel yang ke luar bersama aliran produk akan semakin sedikit untuk waktu yang sama. Penggunaan batu apung sebagai media penambat berdasarkan penelitian ini bisa menurunkan jumlah sel yang lepas bersama aliran produk dan meningkatkan kinerja proses fermentasi ditinjau dari peningkatan konsentrasi etanol dan nilai % yield nya sehingga dalam pengoperasiannya tidak perlu dilakukan recycle cel ke fermentor. Namun demikian penggunaan batu apung sebagai media penambat pada proses fermentasi etanol secara continue masih memiliki kekurangan berupa masih cukup banyaknya sel yang lepas dari penambatnya dikarenakan metoda penambatannya dilakukan secara adsorpsi sehingga masih dimungkinkan sel lepas dari ikatan sel ke permukaan penambat atau lepas dari ikatan sel ke sel lainnya sehingga sel yang lepas inilah kemungkinan yang masih terbawa ke luar bersama aliran produk. F01-5

6 Kesimpulan 1. Immobilized cell dengan menggunakan media penambat batu apung bisa menurunkan jumlah sel yang terbawa ke luar bersama aliran produk pada fermentasi etanol yang dilakukan secara continue. 2. Persentase rata-rata sel yang lepas paling sedikit yaitu fermentasi etanol dengan waktu fermentasi 3 hari pada kondisi immobilized cell dengan ukuran batu apung mesh 16/18 yaitu % dengan konsentrasi etanol yang diperoleh setelah didistilasi sebesar 61.8 % v/v dan persen yield sebesar %. Daftar Pustaka Hartoto, Liesbetini Imobilisasi enzim. Disadur dari https: //khairulanam. files.wordpress.com/2010/08/enzimimobil-s2-revisi.pdf (diakses pada tanggal 1 januari 2015). Rusmana, Iman., Sistem Operasi Fermentasi, Departemen Biologi FMIPA IPB, Bogor Jawa Barat. Sumo, Sumantri, Subono, 1993, Prinsip Bioteknologi, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta. Wasito BPPT, Kajian Lengkap Prospek Pemanfaatan Biodiesel Dan Bioethanol Pada Sektor Transportasi di Indonesia. F01-6

7 Lembar Tanya Jawab Moderator: Sri Sukadarti (Teknik Kimia UPN Veteran Yogyakarta) 1. Penanya : Erlinda Pertanyaan : Batu apung ditentukan ukurannya atau tidak dan berapa banyak jumlahnya? Perlu diaktivasi kembali atau tidak? apakah ada yang menggunakan media batu apung sebagai penambat? Jawaban : Ditentukan, ukuran partikel setengah dari tinggi kolom, masssa sama yaitu kurang lebih 900 gram. Sehingga walaupun berbeda ukuran tetapi tinggi kira kira bisa sekitar setengah dari tinggi kolom Batu apung tidak perlu di aktivasi lagi karena hanya dimanfaatkan sebagai penambat sehingga tidak perlu di aktivasi. Belum ada dan baru pada penelitian yang kami kembangkan 2. Penanya : Sri Sukadarti (Teknik Kimia UPN Veteran Yogyakarta) Pertanyaan : Apakah cell yang hilang bisa diukur? Untuk yield yang dihasilkan bagaimana? Jawaban : Untuk cell yang hilang dapat diukur dengan menggunakan metode counting chamber untuk setiap sample yang dihasilkan Yield yang dihasilkan cukup tinggi kurang lebih 20 % tetapi yield yang dihasilkan dari kondisi immobilized cell lebih tinggi dibandingkan dengan kondisi free cell. F01-7