SEMINAR NASIONAL FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 2008 Surabaya, 5 November 2008 Diselenggarakan oleh Jurusan Teknik Kimia FTI ITS

Transkripsi

1 Pengaruh Konsentrasi Ca-ALGINAT pada Produksi Etanol dari Tetes Menggunakan Zymomonas mobilis dan Saccaromyces cereviceae dengan Teknik Immobilisasi Sel Tri Widjaja Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya Telp. (031) ; Fax. : (031) kajur_tkimia@its.ac.id Abstrak Proses fermentasi konvensional secara batch umum digunakan tetapi mempunyai kendala yaitu konsentrasi etanol yang dihasilkan sangat rendah, karena produksi etanol yang terakumulasi akan meracuni mikroorganisme pada proses fermentasi bahkan akumulasi produk terlarut akan dapat menurunkan bahkan menghentikan pertumbuhan mikroorganisme. sebagai alternatif proses dapat digunakan in situ fermentation, yaitu ekstraksi fermentasi yang terjadi secara bersamaan dalam satu tangki. Sayang ada keterbatasan masih diperlukan penambahan bahan pelindung terhadap toksisitas alkohol pada mikroorganisme selama proses fermentasi dan ekstraksi yang berlangsung secara simultan pada tempat yang sama. Sebagai solusinya dapat dilakukan teknik proses fermentasi-ekstraksi secara kontinyu dengan mempertahankan mikroorganisme supaya tetap berada di dalam fermentor menggunakan teknik immobilized cell. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh perubahan parameter teknik immobilisasi sel Ca-alginat dalam bioreaktor kontinyu packed bed guna mendapatkan informasi tentang karakteristik kinerja sistem agar diperoleh produksi etanol yang tinggi dari molases oleh bakteri Zymomonas mobilis dan Saccaromyces cereviceae yang ditinjau dari produktivitas etanol dan yield etanol. Eksperimen fermentasi berlangsung pada suhu 30 o C, ph 4-5, konsentrasi glukosa masing masing 10 %v/v, dengan rate feed 2 ml/menit, di dalam fermentor ditambahkan Ca-alginat masing-masing 2, 4 %, 6 %, 8 % (%w/v). Untuk mengetahui peningkatan produktivitas etanol teknik immobilisasi Ca-alginat proses fermentasi ekstraksi, juga dilakukan penelitian produksi etanol secara batch dengan kondisi proses yang sama. Dari hasil penelitian proses fermentasi secara batch dengan lama proses jam, dengan konsentrasi glukosa 10 % (107 g/l) dan Zymomonas mobilis diperoleh hasil bahwa produktivitas etanol 0,21 g/l.jam dan yield sebesar 23 %., sedangkan Saccaromyces cereviceae diperoleh produktivitas sebesar 1,79 g/l.jam. Untuk fermentasi secara kontinyu menggunakan immobilisasi sel Ca-alginat, diperoleh hasil bahwa dengan rate feed 2 ml/menit, konsentrasi glukosa 10 %, pada konsentrasi Ca-alginat 6% (w/v) dan digunakan Zymomonas mobilis diperoleh produktivitas dan yield etanol, masing-masing sebesar 12,88 g/l.jam dan yield sebesar 26%, sedangkan dengan menggunakan Saccaromyces cereviceae pada konsentrasi Ca-alginat 4% (w/v) diperoleh produktivitas sebesar 43,64 g/l.jam dan yield sebesar 50,14%. Dari kedua teknik fermentasi tersebut, fermentasi secara kontinyu teknik immobilisasi sel memberikan hasil lebih baik dibandingkan proses fermentasi batch. Kata kunci : Immobilisasi sel, Ca-alginat, Zymomonas mobilis, Saccaromyces cereviceae, Etanol, dan Fermentasi. 1. Pendahuluan Etanol selama ini dihasilkan melalui proses fermentasi konvensional yang selanjutnya diikuti dengan pemurnian. Etanol yang dapat digunakan sebagai bahan bakar adalah etanol anhydrous atau etanol dengan kandungan air yang sangat kecil sekali. Namun salah satu kendala yang dihadapi dalam menghasilkan etanol anhydrous ini adalah besarnya energy yang dibutuhkan dalam pemisahan etanol-air. Biasanya pula etanol dapat diproduksi dengan menggunakan proses fermentasi batch, tetapi pada proses ini memiliki kendala dalam mendapatkan produktivitas etanol yang tinggi, yaitu etanol dapat menjadi racun pada ragi, akibatnya dapat menghambat produktifitas etanol. Pada konsentrasi etanol yang lebih tinggi maka pengaruhnya akan semakin jelas. Jika ragi berada dalam konsentrasi etanol yang lama, misal bila proses terus-menerus, seperti pada proses fermentasi batch ini. Sehingga perlu dicari suatu alternatif proses untuk mendapatkan etanol dengan produktivitas yang tinggi guna mengurangi energy pada proses pemisahannya dan tanpa menjadi inhibitor terhadap ragi itu sendiri.

2 Besarnya kebutuhan energi yang dapat diperbarui sebagai pengganti energi fosil (minyak bumi) berupa produktifitas etanol yang optimal dan efisien, sedangkan untuk mendapatkan produktivitas etanol yang optimal dan efisien tersebut memiliki kendala, karena etanol merupakan racun pada ragi, akibatnya dapat menghambat produktifitas etanol. Pada konsentrasi etanol yang lebih tinggi maka pengaruhnya akan semakin jelas. Jika ragi berada dalam konsentrasi etanol yang lama, misal bila proses terus-menerus, seperti pada proses fermentasi batch. Salah satu teknologi untuk mendapatkan etanol dengan produktivitas yang tinggi dari molases tanpa harus meracuni ragi adalah melalui proses fermentasi etanol dari molases dengan immobilisasi sel Ca-Alginat di packed bed bioreaktor kontinyu. Immobilisasi sel adalah suatu proses untuk menghentikan pergerakan dari molekul enzim atau sel yang ditahan pada tempat tertentu dalam suatu ruang reaksi yang digunakan sebagai katalis. Immobilisasi merupakan katalis makroskopik yang ditahan didalam reaktor, oleh karenanya tidak diperlukan penggantian sel hal ini berarti dapat digunakan berulang kali (reuse biocatalyis). Immobilisasi sel dapat diaplikasikan secara luas dengan berbagai macam konfigurasi reaktor, selain itu didalam reaktor immobilisasi sel lebih stabil dari pada free sel. Immobilisasi sel saat ini digunakan untuk berbagai macam tujuan misalnya : immobilisasi sel elektroda yang digunakan untuk mendeteksi berbagai macam komponen kimia dan didalam industri proses immobilisasi sel dipakai sebagai katalis. Yekta dan Zorlu, 2001 telah melakukan percobaan fermentasi dengan teknik imobilisasi sel untuk menaikkan yields dan menurunkan kadar gula residu. Dimana temperature di jaga pada suhu 30 C, rate larutan 0,22 1/j. kadar etanol adalah 4,62%, yield teoritis adalah 82,9% dan volumetric productivity adalah 10,16 g/l.j, yang didapat dari beet molasses yang mengandung 10,90% gula total dengan 2,0-2,4 mm diameter beads yang berasal dari larutan sodium alginate 2%. Immobilisasi sel dilakukan karena mikroorganisme mikroorganisme ini sangat kecil dan densitas yang mendekati dengan air, maka kemungkinan mikroorganisme tersebut akan terikut di dalam aliran produk. Metode immobilisasi sel meliputi berbagai cara, yaitu : cara fisik meliputi penjebakan atau pembungkusan dengan gel alginat, cara kimia meliputi teknik pengikatan pada bahan pendukung melalui ikatan ikatan ionik, kovalen dan ikatan silang (cross linking). Selama ini metode yang paling umum digunakan adalah metode penjebakan, metode ini melibatkan ikatan silang ionik di dalam lapisan (layer) atau didalam alginat bed yang merupakan bahan polysaccharide alami. Gambar 1. Immobilisasi sel dengan penjebakan didalam alginat bead Gambar diatas menunjukan skema pembuatan bead kalsium alginat yang mengandung sel. Awalnya larutan diberi biakan sel selanjutnya larutan tersebut diteteskan kedalam larutan CaCl 2 2% dan mengalami gellation selama 15 menit, setelah bead terbentuk sel yang telah terjebak di dalam gel tersebut kemudian dicuci dengan menggunakan air selama 30 menit. Setelah pencucian dilanjutkan dengan merendam didalam larutan Al 2 (SO 4 ) 3 selama 30 menit guna menghilangkan sisa kelebihan Ca (Bailey and Ollis, 1986). Ketika memilih menggunakan teknik penjebakan maka properti katalis immobilisasi sel harus dipertimbangkan. Karakteristik kimia maupun mekanik dapat mempengaruhi permeabilitas substrat, inhibitor, produk dan media lainnya. Umumnya bead polysaccharide digunakan dalam skala laboratorium, hal ini dikarenakan biocompatibilitynya tidak cocok jika diaplikasikan dalam skala besar.

3 Dalam proses immobilisasi sel ini, mikroorganisme diikat dengan menggunakan bahan tertentu, sehingga dapat digunakan bahan berulang ulang dalam proses fermentasi, selain itu juga mudah dipisahkan dari produk yang dihasilkan. Metode immobilisasi mikroorganisme memberi kontribusi untuk meningkatkan produktifitas etanol. Polisakarida memungkinkan digunakan pada immobilisasi enzim untuk membawa bioproses yang penting. Dalam penelitian ini polisakarida yang digunakan adalah Na-Alginat. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian tentang Peningkatan Produktitivitas Etanol dari Molases dengan Teknik Immobilisasi Sel Ca-alginat menggunakan bakteri Saccaromyces cereviceae dan Zymomonas mobilis dalam Bioreaktor Kontinyu Packed-bed pada konsentrasi konsentrasi glukosa dalam molases tertentu dan pengaruh konsentrasi konsentrasi Ca-alginat yang memberikan fermentasi terbaik. Teknik immobilisasi dengan menggunakan media Ca-alginat dipilih karena Indonesia kaya akan hasil laut yaitu alga coklat yang merupakan bahan dasar alginat, yang diharapkan mempunyai nilai ekonomis. 2. Metodologi Dalam penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan yang diuraikan sebagai berikut: 1. Pengembangan kultur Membuat agar, mensterilkan dalam autoclave pada suhu 121 o C selama 1jam, lalu dimasukkan dalam tabung reaksi dan mendinginkannya dengan posisi miring, membiakan kultur murni dan menginkubasikan pada suhu 30 o C. 2. Pembuatan Production Medium Mencampur 1 liter mollases encer (10%) dengan (NH 4 ) 2 SO 4 5 g, KH 2 PO 4 1,5 g, MgSO 4.7H 2 O 0,5 g. Kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H 2 SO 4 sampai ph Pembuatan Immobilisasi Sel Mencampur media nutrisi yaitu, gukosa 15 gram, (NH 4 ) 4 SO 4 18 g, Na 2 HPO 4 10 g, KH 2 PO 4 5 g, MgSO 4.7H 2 O 5 g dan yeast ekstrak 1 g ditambahkan biakan, kemudian dimasukkan dalam inkubator shaker selama 36 jam. Mencampur 50 ml media nutrisi dengan 50 ml larutan Ca-Alginat 4%. 100 ml campuran Alginat-Cell ditambahkan dalam 1000 ml larutan CaCl 2 2%, hingga larutan tersebut berbentuk padat. Larutan tersebut mengeras dalam waktu 30 menit. Padatan tersebut dicuci dengan 0,85 % 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. Melakukan prosedur nomer 2 sampai 7, untuk konsentrasi Alginat Cell 2% dan 8%. 4. Proses Fermentasi Immobilisasi sel dimasukkan dalam tray di fermentor sesuai dengan konsentrasi dan berat alginat dalam tray Mengalirkan molases ke dalam fermentor dengan laju alir tertentu, dan mengaanalisa larutan hasil fermentasi dengan Gas Chromatogafi. Untuk mengetahui pengaruh perubahan parameter teknik immobilisasi sel Ca-alginat dalam bioreaktor kontinyu packed bed supaya diperoleh produktivitas etanol dan yield etanol yang tinggi dari molases oleh bakteri Zymomonas mobilis dan Saccaromyces cereviceae, maka dilakukan eksperimen fermentasi berlangsung pada suhu 30 o C, ph 4-5, konsentrasi glukosa masing masing 10 %v/v, dengan rate feed 2 ml/menit, di dalam fermentor ditambahkan Ca-alginat masing-masing 2, 4 %, 6 %, 8 % (%w/v) dan berat alginat dalam bed adalah 250 g. Untuk mengetahui peningkatan produktivitas etanol teknik immobilisasi Ca-alginat, juga dilakukan penelitian produksi etanol proses fermentasi secara batch dengan kondisi yang sama. 3. Hasil dan Diskusi Saccaromyces cereviceae Proses fermentasi berlangsung selama 72 jam pada kondisi anaerob (tanpa udara). Dari profil diatas terlihat bahwa produksi ethanol meningkat seiring dengan bertambahnya waktu. Produksi etanol mulai mencapai kondisi steady state dimulai saat jam ke 46 dan berakhir pada jam ke 72 sehingga dapat dikatakan bahwa 72 jam adalah merupakan waktu maximal yang dicapai oleh yeast Sacharomyces cerevisiae untuk mengkonversi glukosa menjadi ethanol. Fermentasi juga berlangsung pada ph 4. ph memiliki peranan penting dalam keberhasilan

4 proses fermentasi. Seperti diketahui bahwa Sacharomyces cerevisiae dapat mengkonversi glukosa menjadi ethanol pada ph sedangkan pada ph lebih dari 4.5 maka produktivitas ethanol menjadi rendah. Hal ini dikarenakan pada ph yang terlalu tinggi aktivitas enzyme kurang maksimal. Pada penelitian ini dilakukan proses fermentasi batch yang didapat kadar etanol g/l dan produksivitas 1.79 g/l.j. 30 Kadar Etanol (g/l) Waktu (jam ke) Gambar 2. Profil produk etanol yang dihasilkan pada proses fermentasi batch Pada percobaan ini digunakan konsentrasi glukosa 10 % atau 107 g/l, ph 4-5, dan suhu ruang (30 o C). Hasil penelitian dapat dilihat pada Gambar 3. dan Gambar 4 didapatkan kadar etanol masing masing yaitu 17,29 g/l, 28,80 g/l, dan 14,75 g/l. Sedangkan produktivitas etanol pada konsentrasi alginat adalah 2%, 4%, dan 8% diperoleh masing masing yaitu 34,54 g/l.j, 43,65 g/l.j, dan 23,30 g/l.j. Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa kadar etanol yang dihasilkan dan produktivitas mempunyai kecenderungan naik kemudian menurun seiring dengan bertambahnya konsentrasi alginat. Pada konsentrasi alginat yang rendah bentuk alginat terlalu lembek/strukturnya tidak kuat, tembus cahaya/transparan, dan memungkinkan terlalu mudahnya difusi etanol ke dalam sehingga memungkinkan mikroba didalamnya teracuni. Dengan demikian pada konsentrasi alginat rendah produksi etanol juga rendah baik ditinjau dari kadar etanol, produktivitas maupun yield etanolnya. Sedangkan pada konsentrasi alginat tinggi (8%) terlihat bahwa dinding terlalu tebal dan kuat dengan kenampakan gelap/pekat, dimungkinkan difusi cairan glukosa ke dalam mikroorganisme terhambat. Dengan demikian pada konsentrasi alginat tinggi dimungkinkan difusi glukosa ke dalam sel terhambat sehingga produksi etanol juga terhambat. Kecenderungan yang sama didapat pada yield ethanol terhadap substrat pada masing-masing konsentrasi alginat 2%, 4%, dan 8% masing-masing sebesar 16,16%; 26,92%; dan 13,79%.

5 Produktivitas Etanol(g/L.j) Konsetrasi Alginat vs Produktivitas Etanol Konsentrasi Alginat vs Yield Etnaol 0% 2% 4% 6% 8% 10% Konsentrasi Alginat (%w/v) Yield Etanol (%) Gambar 3. Hubungan Konsentrasi Alginat terhadap Produktivitas dan Yield Etanol ,80 25,33 Kadar Etanol (g/l) ,29 14,75 0 2% 4% 8% batch Konsentrasi Alginat (%w/v) Gambar 4. Hubungan Konsentrasi Alginat terhadap Kadar Etanol yang dihasilkan Zymomonas mobilis Proses batch., pada konsentrasi glukosa 10 % kadar etanol yang dihasilkan adalah sebesar 9,62 g/l, produktivitas etanol sebesar 0,21 g/l.j dan didapatkan yield etanol sebesar 23,09 %. Pada percobaan dengan cara kontinyu menggunakan teknik imobilisasi pada konsentrasi alginat 4, 6, 8 (%w/v) dan berat alginat dalam tray packed bed adalah 250 g, pada konsentrasi glukosa 10 % telah didapatkan kadar etanol masing-masing sebesar 52,07 g/l, 53,65 g/l, dan 41,81 g/l, dengan produktivitas etanol masing-masing sebesar 12,49 g/l.j, 12,87 g/l.j, dan 10,03 g/l.j. Sedangkan yield etanol yang dihasilkan tertinggi diperoleh pada konsentrasi alginat 6 % adalah 50,14 %, untuk konsentrasi alginat 4 dan 8% masing-masing diperoleh yield etanol adalah 48,02 dan 39,15% untuk konsentrasi glukosa dalam molases 10%. Dari hasil yang didapatkan telah diperoleh kecenderungan yang sama terhadap pengaruh konsentrasi alginat terhadap kadar etaol yang dihasilkan, produktivitas dan yield etanol antara menggunakan jenis mikroorganisme Zymomonas mobilis maupun Saccaromyces cereviceae. Produktivitas yang didapat berdasarkan penelitian ini pada konsentrasi alginat 4, 6 dan 8% masing-masing sebesar 12,498 g/l.jam, 12,876 g/l.jam, dan 10,036 g/l.jam. Produktivitas cenderung menurun saat konsentrasi Ca-alginat melebihi dari 6 % (%w/v) sehingga dapat

6 dikatakan juga bahwa konsentrasi Ca-alginat 6 % merupakan konsentrasi maksimum yang dapat digunakan untuk menghasilkan etanol dengan produktivitas yang maksimum. 4. Kesimpulan 1. Produktivitas etanol yang dihasilkan dari proses fermentasi dengan Sacharomyces cerevisiae secara kontinyu labih baik dari fermentasi secara batch. Pada fermentasi kontinyu produktivitas sebesar 43,65 g/l.j yield etanol sebesar 26,92% dan kadar etaol adalah 28,80 g/l, sedangkan pada fermentsi batch produktivitas sebesar 1,79 g/l.j dengan kadar etanol 25,33 g/l. 2. Dari hasil penelitian baik batch maupun kontinyu pada konsentrasi glukosa dalam molasses 10 % (107 g/l), Zymomonas mobilis konsentrasi Ca-alginat 4 %, 6 %, 8 % (%w/v), ph 4, temperature operasi 30 o C, rate feed 2 ml/menit maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 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, Yield etanol yang dihasilkan dari fermentasi kontinyu lebih baik dari fermentasi secara batch. Pada fermentasi kontinyu yield sebesar %, sedangkan pada fermentasi batch yield sebesar 23 %. Sedangkan produktivitas etanol yang dihasilkan dari fermentasi kontinyu lebih baik dari fermentasi secara batch, pada fermentasi kontinyu produktivitas 12,876 g/l.j sedangkan pada fermentasi batch produktivitas sebesar 0,205 g/l.j. 3. Pada proses fermentasi kontinyu dengan teknik imobilisasi sel, konsentrasi alginat yang digunakan dapat berpengaruh terhadap kadar etanol, yield dan produktivitas, dimana konsentrasi Ca-alginat antara 4-6% merupakan konsentrasi maksimal yang menghasilkan etanol yang optimal. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini kami mengucapkan terimakasih kepada mahasiswa kami sdr. Dian Nur Fauzi Astutik dan Nurlaili Humaidha yang membantu penelitian ini, dan LPPM ITS yang telah mendanai penelitian kami bersama ibu Orchidea Rahmania, ST, MT melalui dana lokal penelitian ITS melalui DIPA/SPP & SPI tahun anggaran 2007/2008 no. kontrak : 10559/I2.7/PM/2008 dengan judul penelitian Penigkatan produksi etanol dari tetes secara kontinyu dengan proses fermentasi-ekstraksi Daftar Pustaka 1. Bailey, James E. and Ollis, David F Biochemical Engineering Fundamentals. Mc Graw-Hill Inc, New York. 2. Cazetta ML, Celligoi MAPC, Buzato JB and Scarmino IS, 2007 Fermentation of molasses by Zymomonas mobilis: Effects of temperature and sugar concentration on ethanol production. Bioresource Technology. 98, Minier, M, and Goma, G J Biotechnology and Bioengineering, Ethanol Production by Extractive Fermentation, 34, Mulyanto, 2002, Pengaruh Suhu terhadap Mikroba Zymomonas mobilis dan Saccaromices cerevisiae pada Fermentasi Ethanol dengan media Glukosa. Kumpulan Skripsi Paska Sarjana Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. 5. Othmer, Kirk, 1984, Encyclopedia of Chemical Technology vol. 9, 3 rd edition, John Wiley and Sons, halaman Paturau, J, M, By Product of Cane Sugar Industry, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam Oxford New York 7. Yekta Goksungur and Nese Zorlu Production of Ethanol From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreactor. Turk J. Biol., 25, page Turkey.