II. DESKRIPSI PROSES

Transkripsi

1 II. DESKRIPSI PROSES A. Fermentasi Kalsium laktat dapat diproduksi hanya dengan proses fermentasi berbagai macam karbohidrat seperti sukrosa, glukosa atau laktosa dengan menggunkan mikroba. Gula-gula tersebut terdapat pada molasses, jagung, kentang dan milk whey (R, Keyes, 1957). Proses pembuatan dengan menggunakan metode fermentasi dengan bakteri melalui reaksi : C 12 H 22 O 12 (aq) + H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (aq) + C 6 H 12 O 6 (aq) (1) Sukrosa Air Glukosa Fruktosa fermentasi fermentasi C 6 H 12 O 6 (aq) 2 CH 3 CHOHCOOH (aq) (2) Glukosa Asam Laktat 2 CH 3 CHOHCOOH (aq) +CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) (3) Asam Laktat Kalsium Karbonat Kalsium Laktat Air Karbondioksida (R. Keyes. 1957) (N. Narayanan, A. Sarivastava. 2004) Young-Jung Wee mengatakan sangat menguntungkan bila bahan baku mempunyai kriteria : Murah Tingkat kontaminasi untuk bakteri rendah Laju dari fermentasi yang tinggi Produk yang dihasilkan banyak

2 8 Sedikit atau tidak mengandung produk samping Dapat beroperasi sepanjang tahun dalam jumlah besar Dua jenis bakteri yang menghasilkan kalsium laktat adalah homofermenter dan heterofermenter. Bakteri jenis pertama adalah homofermenter yang hanya menghasilkan kalsium laktat sebagai produk. Sedang bakteri kedua adalah heterofermenters, menghasilkan kalsium laktat dan produk limbah tambahan, etanol dan karbon dioksida ( organisme-yang-melakukan-fermentasi-asam-laktat, 2012). Metoda homofermentatif ini banyak digunakan di industri, dengan konversi yield glukosa menjadi kalsium laktat lebih dari 90% (Hofvendahl dan Hahn Hägerdal, 2000). Tabel Macam-macam bakteri penghasil kalsium laktat Homofermenter Heterofermenter Enterococcus faecium Lactobacillus brevis Enterococcus faecalis Lactobacillus buchneri Lactobacillus acidophilus Lactobacillus cellobiosus Lactobacillus lactis Lactobacillus confusus Lactobacillus delbrueckii Lactobacillus coprophilus Lactobacillus leichmannii Lactobacillus fermentatum Lactobacillus salivarius Lactobacillus sanfrancisco Sumber : Beuchat (1995)

3 9 Tabel Kemampuan bakteri Lactobacillus sp. mengolah kalsium laktat Bahan baku Bakteri γ (yield) Produktivitas g/l g/(jaml) Molasses Lactobacillus delbrueckii NCIMB ,8 Gandum hitam Lactobacillus paracasei No. 8 84,5 2,4 Sweet sorghum Lactobacillus paracasei No. 8 81,5 2,7 Lactobacillus paracasei No ,5 Gandum Lactococcus lactis ssp. lactis ATCC Jagung Lactobacillus amylovorus ATCC ,1 0,8 Umbi kayu Lactobacillus amylovorus ATCC ,8 0,2 Kentang Lactobacillus amylovorus ATCC ,2 0,1 Beras Lactobacillus sp. RKY ,9 Barley Lactobacillus casei NRRL B ,4 Lactobacillus amylophilus GV6 27,3 0,3 Selulosa Lactobacillus coryniformis ssp. torquens ATCC ,5 Kertas daur Lactobacillus coryniformis ssp. torquens ulang ATCC ,1 0,5 Kayu Lactobacillus delbrueckii NRRL B ,9 Whey Lactobacillus helveticus R ,4 Lactobacillus casei NRRL B Sumber : Young-Jung Wee, Jin_Nam Kim 2005 Perbandingan harga bahan baku untuk membuat kalsium laktat terdapat pada table dibawah ini. Tabel Perbandingan bahan baku untuk menghasilkan kalsium laktat No Bahan Baku Harga (Rp/kg) 1 Molasses Gandum Jagung Umbi Kayu Kentang Beras Kertas Daur Ulang Kayu Sumber : PT. GMP, Perum Bulog,

4 10 Pemilihan molasses sebagai bahan baku didasarkan pada : 1. Molasses merupakan limbah industri gula, sehingga lebih tepat guna bila dimanfaatkan kembali sebagai bahan baku. 2. Proses fermentasi molasses dengan menggunakan Lactobacillus delbrueckii NCIMB 8130 menghasilkan yield 90 gr/l dan produktivitas 3,8 gr/(jam.l) 3. Dibandingkan dengan bahan baku lainnya, mollases lebih ekonomis dimanfaat sebagai bahan baku karena merupakan limbah. Komposisi molasses sebagai bahan utama pembuatan kalsium laktat adalah sebagai berikut : Tabel Komposisi tetes tebu (molasses) Komponen Jumlah Sukrosa 38,94 % Glukosa 14,43 % Fruktosa 16,75 % Air 18,82 % Abu 11,06 % Jumlah 100 % Sumber : J.M. Paturau, 1989 B. Perhitungan Ekonomi Kasar fermentasi C 12 H 22 O 12 (aq) + H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (aq) + C 6 H 12 O 6 (aq) (1) Sukrosa Air Glukosa Fruktosa fermentasi C 6 H 12 O 6 (aq) 2 CH 3 CHOHCOOH (aq) (2) Glukosa Asam Laktat 2CH 3 CHOHCOOH (aq) +CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) (3) Asam Laktat Kalsium Karbonat Kalsium Laktat Air Karbondioksida

5 11 Dari ketiga persamaan diatas, persamaan dua dan tiga dieliminasi, sehingga dapat diasumsikan, bahan baku yang dibeli hanya glukosa dan kalsium karbonat. C 6 H 12 O 6 (aq) + CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) (4) Glukosa Kalsium Karbonat Kalsium Laktat Air Karbondioksida 1. Molasses Diketahui yield = 90 g/l = Ton/ tahun Molasses yang dibutuhkan= =. = ,3 L molasses dimana ρ molasses = 1,422 kg/l, sehingga molasses yang dibutuhkan : = Kg molasses C 6 H 12 O 6(l) + CaCO 3(S) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (S) + H 2 O (l) + CO 2(g) CaCO 3 yang dbutuhkan untuk menghasilkan 1 kg kalsium laktat sebesar: = mol kalsium laktat x BM CaCO 3 = Ton kalsium laktat/ tahun CaCO3per tahun = x 0,4 kg = Ton CaCO3pertahun Harga total bahan baku = ((Rp.700 x ) + (Rp x ) =Rp =Rp

6 12 =Rp Gandum Diketahui yield = 106 g/l = Ton/ tahun Gandum yang dibutuhkan= =. = ,9 L Gandum dimana ρ gandum = 0,56 kg/l, sehingga gandum yang dibutuhkan : = Kg Gadum C 6 H 12 O 6 (aq) + CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) CaCO3yang dbutuhkan untuk menghasilkan 1 kg kalsium laktat sebesar: = mol kalsium laktat x BM CaCO 3 CaCO 3 per tahun = Ton kalsium laktat/ tahun = x 0,4 kg = Ton CaCO 3 pertahun Harga total bahan baku = ((Rp x ) + (Rp x ) =Rp = Rp = -Rp

7 13 3. Jagung Diketahui yield = 10,1 g/l = Ton/ tahun Jagung yang dibutuhkan=, =. = L Jagung dimana ρ jagung = 0,72 kg/l, sehingga jagung yang dibutuhkan : = Kg jagung C 6 H 12 O 6 (aq) + CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) CaCO3yang dbutuhkan untuk menghasilkan 1 kg kalsium laktat sebesar: = mol kalsium laktat x BM CaCO 3 CaCO 3 per tahun = Ton kalsium laktat/ tahun = x 0,4 kg = Ton CaCO 3 pertahun Harga total bahan baku = ((Rp x ) + (Rp x ) = Rp = Rp = -Rp Ubi kayu Diketahui yield = 4,8 g/l = Ton/ tahun

8 14 Ubi yang dibutuhkan =, =. = L Ubi kayu dimana ρ ubi kayu = 1,25 kg/l, sehingga ubi kayu yang dibutuhkan : = Kg Ubi kayu C 6 H 12 O 6 (aq) + CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) CaCO3yang dbutuhkan untuk menghasilkan 1 kg kalsium laktat sebesar: = mol kalsium laktat x BM CaCO 3 CaCO 3 per tahun = Ton kalsium laktat/ tahun = x 0,4 kg = Ton CaCO 3 pertahun Harga total bahan baku = ((Rp.863 x ) + (Rp x ) = Rp = Rp = -Rp Kentang Diketahui yield = 4,2 g/l = Ton/ tahun Kentang yang dibutuhkan=, =.

9 15 = L kentang dimana ρ kentang = 0,769 kg/l, sehingga kentang yang dibutuhkan : = Kg Kentang C 6 H 12 O 6 (aq) + CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) CaCO3yang dbutuhkan untuk menghasilkan 1 kg kalsium laktat sebesar: = mol kalsium laktat x BM Ca(OH) 2 CaCO 3 Per tahun = Ton kalsium laktat/ tahun = x 0,4 kg = Ton CaCO 3 pertahun Harga total bahan baku = ((Rp x ) + (Rp x ) = Rp = Rp =-Rp Beras Diketahui yield = 129 g/l = Ton/ tahun Beras yang dibutuhkan = =. = ,5 L Beras dimana ρ beras = 0,72 kg/l, sehingga beras yang dibutuhkan : = ,5 kg Beras

10 16 C 6 H 12 O 6 (aq) + CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) CaCO3yang dbutuhkan untuk menghasilkan 1 kg kalsium laktat sebesar: = mol kalsium laktat x BM CaCO 3 CaCO 3 per tahun = Ton kalsium laktat/ tahun = x 0,4 kg = Ton CaCO 3 pertahun Harga total bahan baku = ((Rp x ,5 ) + (Rp x ) = Rp = Rp = -Rp Kertas Bekas Diketahui yield = 23,1 g/l = Ton/ tahun Kertas yang dibutuhkan =, =. = L Kertas bekas dimana ρ kertas = 0,24 kg/l, sehingga kertas yang dibutuhkan : = ,7 Kg Kertas bekas C 6 H 12 O 6 (aq) + CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g)

11 17 CaCO3yang dbutuhkan untuk menghasilkan 1 kg kalsium laktat sebesar: = mol kalsium laktat x BM CaCO 3 CaCO 3 per tahun = Ton kalsium laktat/ tahun = x 0,4 kg = Ton CaCO 3 pertahun Harga total bahan baku = ((Rp x ) + (Rp x ) =Rp = Rp = Rp Kayu Diketahui yield = 108 g/l = Ton/ tahun Kayu yang dibutuhkan = =. = ,8 L kayu dimana ρ kayu = 0,7 kg/l, sehingga kayu yang dibutuhkan : = ,4 Kg kayu C 6 H 12 O 6 (aq) + CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g)

12 18 CaCO 3 yang dbutuhkan untuk menghasilkan 1 kg kalsium laktat sebesar: = mol kalsium laktat x BM CaCO 3 CaCO 3 per tahun = Ton kalsium laktat/ tahun = x 0,4 kg = Ton CaCO 3 pertahun Harga total bahan baku = ((Rp x ,4) + (Rp x )) = Rp = Rp = Rp Berdasarkan perhitungan ekonomi kasar di atas, dipilihlah molasses sebagai bahan baku karena molasses memberikan keuntungan lebih tinggi dibanding bahan baku lainnya.

13 19 Proses pembuatan yang dipilih ialah metode fermentasi menggunakan molasses dengan alasan : 1. Ketersediaan bahan baku karbohidrat yang berasal dari molasses yang melimpah di Indonesia. 2. Bakteri Lactobacillus Delbreuckii dapat menguraikan gula dalam molasses 3. Biaya atau harga produksi cenderung lebih rendah jika dibandingkan dengan menggunakan bahan baku lainnya. C. Uraian Proses Proses pembuatan kalsium laktat dilakukan secara semi continue, dimana proses batch dilakukan sampai pada tangki penyimpanan, setelah tangki penyimpanan dilakukan proses continue. Pembuatan kalsium laktat dengan cara fermentasi secara garis besar terdiri dari : Fermentasi Pemisahan biomassa, sisa nutrisi, dan kotoran lain Pemurnian 1. Fermentasi Bahan baku yang tergolong murah untuk difermentasikan adalah : starchy and cellulosic material, whey, molasses. Yang tergolong dalam starchy and cellulosic material antara lain : gandum, jagung, singkong, kentang, beras, sweet gorghum, rye, barley. Akan tetapi materi ini perlu dihidrolisis terlebih dahulu untuk mendapatkan gula fermentasi (karbohidrat) sebelum difermentasikan (Young-Jung Wee, Jin-Nam Kim, 2005). Bakteri Lactobacillus delbrueckii dipilih karena dapat memproduksi paling tinggi dengan menggunakan substrat yang mengandung senyawa gula tanpa perlu perlakuan awal (Y. tokiwa dan Calabia 2007). Senyawa gula tersebut antara lain : sukrosa, glukosa, fruktosa, maltosa

14 20 (P.D. Robinson 1988). Bakteri yang diperlukan untuk proses fermentasi kalsium laktat sebanyak 1,7% dari jumlah molasse yang masuk. Malt sprouts adalah nutrisi untuk bakteri yang ditambahkan sebanyak 3% dari jumlah molasse yang masuk fermentor (J.M. Paturau, 1989). Kultur diinokulasi dengan Lactobacillus delbrueckii. Kultur ini mengandung 15% gula, 0,375% malt spouts, 0,25% NH 3 PO 4, 10% CaCO 3, dan air (R.Keyes 1957). Feed yang berupa mollases, air dan Lactobacillus delbrueckii masuk ke dalam pre-fermentor terlebih dahulu. Kemudian keluaran pre fermentor beserta CaCO 3 dan air masuk ke fermentor. Selama proses fermentasi ph harus dijaga antara 6-7 dengan suhu 45 o C dengan menggunakan buffering agent CaCO 3. Selain berfungsi untuk menjaga ph, penambahan dari buffering agent tersebut akan menghasilkan garam laktat. Dengan penambahan buffering agent maka akan terbentuk garam laktat seperti kalsium laktat.waktu tinggal dalam fermetor selama 13,5 jam (Luedeking R dan Piret E.L, 2000). Adapun reaksinya sebagai berikut : C 12 H 22 O 12 (aq) + H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (aq) + C 6 H 12 O 6 (aq) (1) Sukrosa Air Glukosa Fruktosa fermentasi C 6 H 12 O 6 (aq) 2 CH 3 CHOHCOOH (aq) (2) Glukosa Asam Laktat 2CH 3 CHOHCOOH (aq) +CaCO 3(s) (CH 3 CHOHCOO) 2 Ca (aq) +H 2 O (l) +CO 2(g) (3) Asam Laktat Kalsium Karbonat Kalsium Laktat Air Karbondioksida Keluaran dari fermentor kemudian masuk unit pemurnian produk yang terdiri dari rotary filter, crystallizer, rotary drier, dan mixing tank. Tidak ada ukuran yang pasti dari fermentor karena ukuran tangki tidak berpengaruh pada proses fermentasi (National agricultural biosecurity

15 21 center 2004). Fermentasi berlangsung selama 13,5 jam pada temperatur 45 o C, tekanan 1 atm. (US.Patent ). 2. Pemisahan biomassa, sisa nutrisi dan kotoran lain Keluaran dari fermentor selanjutnya difiltrasi dengan memggunakan Rotary Filter (RF-201) yang mempunyai media penyaringan berupa microfilter hal ini dikarenakan ukuran bakteri sebesar 0,5-2 µm dan abu yang juga mempunyai ukuran micron. 3. Permunian Produk Permunian produk kalsium laktat diawali dengan mereaksikan asam laktat sisa fermentasi menjadi kalsium laktat dengan penambahan CaCO 3 berlebih. Reaktor beroperasi pada suhu 45 o C, tekanan 1 atm. Jenis reaktor adalah reaktor CSTR.Selanjutnya keluaran dari reaktor masuk ke dalam crystallizer dengan proses penguapan pada suhu 100 o C, tekanan 1 atm. Larutan mother liquor selanjutnya diumpankan ke centrifuge, campuran kristal produk dan impuritis dialirkan ke rotary dryer, sementara mother liquor sisanya dikembalikan ke crystallizer. Dari rotary dryer, campuran kristal yang sudah bebas dari air, diumpankan ke mixing tank untuk melarutkan impuritis gula (sukrosa, glukosa dan fruktosa) dengan etanol absolute, pada mixing tank ini semua gula terlarut dalam etanol sementara kalsium laktat tidak ada yang terlarut, karena kalsium laktat tidak larut dalam etanol. Keluaran dari mixing tank masuk ke centrifuge untuk dipisahkan antara larutan gula yang larut dengan etanol dan kristal kalsium laktat. Kristal tersebut dikeringkan di rotary dryer dan uap etanol dikondensasikan kemudian dikembalikan ke mixing tank. Kristal yang telah kering adalah produk kalsium laktat dengan kemurnian 100%. Penanganan impuritis gula dilakukan dengan mengkristalkan larutan gula dari CF-303 di CR-302 dengan proses penguapan untuk mendapatkan etanol kembali. Etanol yang didapat dari CR-302 bersama dengan etanol dan udara kering dari RD-302 masuk ke Condensor (CD-301).