Skripsi Kinerja Fermentasi Ekstraktif Dalam Produksi Bioetanol dari Nira Siwalan (Borassus flabellifer L.)

Transkripsi

1 Skripsi Kinerja Fermentasi Ekstraktif Dalam Produksi Bioetanol dari Nira Siwalan (Borassus flabellifer L.) Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng Disusun Oleh : Maulana Satya Nugroho Rr Whiny Hardiyati Erliana Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopemeber Surabaya

2 Overview 1 Pendahuluan 2 Tinjauan Pustaka 3 Metodologi Penelitian 4 Hasil dan Pembahasan 5 Kesimpulan dan Saran

3 PENDAHULUAN

4 Latar Belakang BIOETANOL Pertambahan Penduduk Kebutuhan Energi Bahan Bakar Minyak

5 Latar Belakang Etanol diperlukan untuk substitusi BBM Mikroorganisme yang umum digunakan adalah Zymomonas mobilis dan Saccaromyces cerevisiae saja sehingga perlu membandingkan mikroorganisme lain. Adanya kelemahan dalam fermentasi batch sehingga menurunkan produktivitas dan akumulasi produk dapat meracuni mikroba Dilakukan proses fermentasi kontinyu dengan immobilisasi sel yang terintegrasi dengan ekstraksi

6 Macam Metode Fermentasi FERMENTASI BATCH FERMENTASI KONTINYU FERMENTASI EKSTRAKTIF Kelemahannya : Produktifitas etanol rendah Inhibisi karena akumulasi etanol Kelemahannya : Kadar etanol rendah banyaknya gula yang tidak terkonversi Meningkatkan Produktifitas etanol mengatasi inhibisi Metode yang Dipilih

7 Fermentasi-Ekstraktif FERMENTASI EKSTRAKTIF Teknik mendapatkan etanol dengan melakukan proses fermentasi dan ekstraksi secara bersama-sama Mengurangi inhibisi dari produk akhir untuk meningkatkan efisiensi proses secara keseluruhan Pelarut yang dipilih pada ekstraksi adalah yang tidak beracun

8 Tujuan Penelitian Mengetahui performa terbaik dari variasi mikroorganisme yang digunakan dalam memproduksi etanol dengan fermentasi ekstraktif. Mengetahui karakteristik kinerja sistem fermentasi kontinyu dalam bioreaktor packed bed dengan variasi mikroorganisme

9 Manfaat Penelitian Mengetahui variasi mikroorganisme yang dapat digunakan untuk memproduksi etanol dengan proses fermentasi ekstraktif. Digunakan sebagai media dalam pengembangan penelitian pembuatan etanol dengan cara fermentasi ekstraktif.

10 TINJAUAN PUSTAKA

11 Bahan Baku Dipilih nira siwalan dengan alasan: Ketersediaannya melimpah Tidak memerlukan proses hidrolisa Ekonomis Berdasarkan Hasil Analisa HPLC : Komponen Kadar (%b/v) Replika 1 Replika 2 Replika 3 Rata rata (%b/v) Fruktosa 2,08 2,17 2,21 2,15 Glukosa 2,80 2,72 2,81 2,78 Sukrosa

12 Etanol Rumus molekul :C 2 H 5 OH Rumus empiris :C 2 H 6 O Sifat tidak berwarna mudah menguap tidak berasa memiliki bau yang khas. titik didih (73,32 o C) titik kritis (243,1 o C) densitas (0,7893 g/ml pada suhu 20 o C)

13 Zymomonas mobilis termutasi A3 Karakteristik: Tahan pada ph rendah antara 4-5 Morfologi lebih besar dengan gerakan lebih sedikit Fase adaptasi kurang lebih 3 jam Tahan pada suhu tinggi 50 o C (Alfena,2008) Kelebihan dibandingkan Saccharomyces cerevisiae: Produksi biomass lebih rendah Tidak perlu mengontrol kelebihan oksigen selama proses fermentasi Yield etanol yang dihasilkan lebih tinggi Waktu fermentasi yang lebih singkat Laju metabolisme dari gulanya lebih tinggi (Bai,2008)

14 Saccharomyces cerevisiae Karakteristik: cepat berkembang biak tahan terhadap suhu yang tinggi diatas 30 o C pada ph 4,8 mempunyai sifat stabil dan cepat mengadakan adaptasi Keuntungan: Hemat biaya Mudah digunakan Memiliki kemampuan fermentasi tinggi Dosis pemakaian rendah

15 Pichia Stipitis Karakteristik: Dominasi haploid, ragi heterotolik yang memiliki hubungan dengan Candida shehatae dan pentosa metabolisme ascomycetous ragi species Memiliki kapasitas tertinggi untuk fermentasi xylose (Vaughan Martini, A. E. 1984) Kelebihan Pichia Stipitis: Pichia Stipitis dapat menghasilkan etanol dengan rate produksi yang tinggi dalam campuran glukosa dan xylosa. Semakin tinggi fraksi glukosa yang terkandung dalam campuran glukosa dan xylosa, semakin tinggi etanol yang dihasilkan. (Frank K. Agbogbo, 2006)

16 Kluyveromyces Marxianus Karakteristik:. Pada bagian spora, halus mulai bulat kacang atau berbentuk sabit, spora dewasa biasanya mengandung lipid Kluyveromyces Marxianus mempunyai kemampuan dalam fermentasi gula pada suhu yang tinggi (hingga suhu 45 C) dan dapat bertumbuh dengan baik pada ph 4,5-5. Kelebihan Kluyveromyces Marxianus: Kluyveromyces Marxianus dapat menghasilkan etanol dengan rate produksi yang tinggi dalam campuran glukosa, xylose, mannose, dan galactose. Semakin tinggi fraksi glukosa yang terkandung dalam campuran, semakin tinggi etanol yang dihasilkan. Hamidimotlagh dkk (2007)

17 Karaginan Getah rumput laut dari hasil ekstraksi rumput laut merah dengan menggunakan air panas (hot water) atau larutan alkali pada temperatur tinggi (Glicksman 1983) Mampu membentuk gel dalam air dan bersifat reversible Sensitif terhadap ion kalium dan membentuk gel kuat dengan adanya garam kalium Viskositas : cps

18 Fermentasi Dengan Immobilisasi Sel Suatu proses untuk menghentikan pergerakan dari molekul enzim atau sel yang ditahan pada tempat tertentu dalam suatu ruang reaksi yang digunakan sebagai katalis Entrapment

19 Keuntungan Immobilisasi Sel menggunakan metode entrapment Densitas sel yang tinggi pada setiap unit bioreaktor sehingga produktifitas tinggi Sel yang terimobilisasi dapat digunakan kembali Suatu proses kontinyu yang mungkin dioperasikan akan melewati nominal rate washout Pemisahan yang mudah dari biokatalis dan fase liquid dari produk yang diinginkan sehingga akan memperkecil biaya pemisahan Meningkatkan toleransi atau perlindungan pada sel dari inhibisi produk

20 Penelitian Terdahulu Ayu Ratna Permanasari dan Ririn Indriani A.R (2012) Zymomonas mobilis,molasses Solven amyl alcohol, recycle ratio 0%,50%,60%,70%,80% Amyl alcohol bersifat toxic Yield 32,58% Produktivitas 192, 15 g/l.h Ana dan Nadia Sanggra (2013) Nira Siwalan, Z.mobilis dan S.cerevisiae, Pichia stipitis Solven amyl alcohol, n-butanol tanpa recycle dan 50% recycle Z.mobilis, recycle 50% yield 44,83% Produktivitas 264,41 g/l Richard D. Offeman, Serena K.Stephenson, Diana Franqui, Jessica L.Cline, George H. Robertson, William J. Orts (2008) Solven 1-octanol, 1-dodecanol, 2-hexyl 1- decanol 1-octanol etanol 7%, konsumsi gula 34% Astuti Lisa Wardani dan Azlina Tyara Putri (2012) Nira Siwalan, Z.mobilis dan S.cerevisiae Solven amyl alcohol, tanpa recycle dan 50% recycle Z.mobilis, recycle 50% yield 33,63% Produktivitas 161,02 g/l

21 METODOLOGI PENELITIAN

22 Variabel Dalam Penelitian Pelarut n- Amyl alcohol Mikroorganisme Z.mobilis termutasi Campuran S.cerevisiae+Pichia stipitis Campuran Pichia stipitis+kluyveromyces marxianus Recycle Tanpa Recycle

23 Tahapan Proses Pengembangan Kultur Pretreatment Nira Siwalan Pembuatan Immobilisasi Sel karaginan Proses Fermentasi Ekstraktif Pengukuran konsentrasi gula reduksi sisa dan konsentrasi etanol

24 Pengembangan Kultur Pelarutan Penempatan Sterilisasi 40 gram Nutrien agar dilarutkan pada 100ml aquadest, dipanaskan pada suhu 70 C 6ml setiap tabung reaksi 121 C, 15 menit Penyimpanan Inkubasi Penggoresan 30 C,24 jam Biakan murni Z. Mobillis termutasi A3

25 Pre Treatment Nira Siwalan dipanaskan (80 C, 20 menit) KH 2 PO 4 1,53gr ph dan Nutrisi (NH 4 ) 2 SO 4 3 gr 20 menit Sterilisasi MgSO 4. 7H 2 O 0,55gr H 2 SO 4 ph C, 15 menit

26 Pembuatan Starter (Z.mobilis) KULTUR PENANAMAN INKUBASI 4 ose culture 30 o C, 15 hours Zymomonas mobilis termutasi 100 ml media nutrisi, 10 g yeast extract; 1 g (NH 4 ) 2 SO 4 ; KH 2 PO 4 1 g; MgSO 4.7H 2 O 0.5 g Inkubasi di inkubator shaker

27 PRE-TREATMENT (Pichia stipitis +Saccharomyces, Phicia+K.Marxianus) (NH 4 ) 2 SO 4 1 gram MgSO 4. 7H 2 O 0,5 gram KH 2 PO 4 1gram Yeast extract 10 gram 100 ml nira siwalan dipanaskan selama 20 menit Dimasukkan dalam inkubator shaker selama 15 jam dengan suhu 35 o C Menginokulasikan mikroorganisme pada nira, sebanyak 3 ose Pichia Stipitis dan 1 ose Saccharomyces Dengan cara yang sama, menginokulasikan mikroorganisme sebanyak 3 kali Kluyveromyces marxianus dan 1 ose Pichia stipitis

28 Pembuatan Immobilisasi Sel dalam Larutan Karaginan Penanaman Pembiakkan Pencampuran 4 ose Z.Mobillis dalam 100 ml nira siwalan yang sudah ditambahkan nutrisi (1g (NH 4 ) 2 SO 4, KH 2 PO 4 1 g, MgSO 4.7H 2 O 0.5 gram, yeast ekstrak 10 gram Inkubator shaker 30 C, selama 15 jam Pencucian 50ml media nutrisi dlm 450ml larutan karaginan 50 C Pencetakkan Bead dimasukan dalam nira untuk feed Peningkatan pertumbuhan Inkubator shaker 30 C, selama 24 jam Bead dicuci dlm 1000ml larutan NaCl 0,85% Penyimpanan Disaring dari larutan nya, disimpan pada 4 C Dicetak dgn diameter 2mm pada 1000ml larutan KCl 3,5%

29 Skema Alat Percobaan Tanpa recycle Tangki Penampung Solven 2. Tangki Penampung Nira 3. Fermentor (packed bed) 4. Tangki Penampung Broth 5. Ekstraktor 6. Tangki Penampung Rafinat 7. Tangki Penampung Ekstrak 6 8. Pompa Peristaltik Solven 9. Pompa Peristaltik Nira

30 HASIL DAN PEMBAHASAN

31 Analisa Yang Dilakukan Pada Nira Siwalan Murni Nira Siwalan Kadar Glukosa, Fruktosa, Sukrosa Analisa HPLC (High Pressure Liquid Cromatography)

32 Analisa Yang Dilakukan Pada Hasil Proses Fermentasi Broth Fermentasi Kadar Glukosa Analisa DNS, Spektrofotometer Pada Hasil Proses Ekstraksi Broth, Ekstrak, Rafinat Kadar Etanol Gas Chromatography

33 Perbandingan Grafik Konsentrasi Gula reduksi Sisa dalam Fermentasi terhadap Waktu Mikroorganisme Zymomonas mobilis termutasi memiliki kemampuan lebih cepat dalam mengkonversi glukosa menjadi etanol sehingga tidak membutuhkan waktu yang lama dalam proses fermentasi apabila dibandingkan dengan campuran P. stipitis + S. cerevisiae dan campuran K. marxianus + P. stipis

34 Pengaruh Mikroorganisme Pada Proses Fermentasi-Ekstraktif Terhadap Yield Yield (%) Zymomonas mobilis Termutasi A3 Yield Fermentor Pichia + Sacharomyces Yield Overall Kluyveromyces + Pichia

35 Pengaruh Mikroorganisme Pada Proses Fermentasi-Ekstraktif Terhadap Produktivitas Produktivitas (g/l.jam) Zymomonas mobilis Termutasi A3 Produktivitas Fermentor Pichia + Sacharomyces Produktivitas Overall Kluyveromyces + Pichia

36 Pengaruh Mikroorganisme Pada Proses Fermentasi-Ekstraktif Terhadap Konsentasi Etanol Konsentrasi Etanol (g/l) Zymomonas mobilis Termutasi A3 Pichia + Sacharomyces Kluyveromyces + Pichia

37 KESIMPULAN DAN SARAN

38 Kesimpulan Pada kondisi substrat dengan konsentrasi gula reduksi sebesar 150 g/l. Dapat disimpulkan : 1. Proses fermentasi kontinyu menggunakan Zymomonas mobilis A3 memberikan hasil produktivitas dan yield etanol yang terbaik, yaitu masing-masing sebesar 178,296 g/l.jam dan 45,454 %. 2. Proses ekstraksi tanpa recycle menggunakan Zymomonas mobilis A3 memberikan hasil % recovery yang terbaik, yaitu 61,935 % 3. Proses fermentasi kontinyu dan ekstraksi secara terintegrasi tanpa recycle menggunakan Zymomonas mobilis A3 memberikan hasil produktivitas dan yield etanol yang terbaik, yaitu masing-masing sebesar 146,50 g/l.jam dan 37,372 %.

39 Saran 1. Nira siwalan harus segera ditreatment, karena dapat terfermentasi secara cepat. 2. Perlu dilakukan pembekuan pada nira siwalan yang telah di pretreatment agar glukosa tidak terfermentasi. 3. Analisa terhadap sampel yang diambil harus segera dilakukan supaya tidak terjadi fermentasi lanjut. 4. Perlu dilakukan pembekuan terhadap sampel yang telah diambil agar tidak terjadi fermentasi lanjut.

40