KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT MENGGUNAKAN BIOREAKTOR VENTY INDRIANI PAIRUNAN

Transkripsi

1 KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT MENGGUNAKAN BIOREAKTOR VENTY INDRIANI PAIRUNAN SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Biorekator adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Januari 2009 Venty Indriani Pairunan NIM F

3 ABSTRACT VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Characteristic of Cocoa Pulp Fermentation in Acetic Acid Production using Bioreaktor. Under direction of USMAN AHMAD, and TRESNAWATI PURWADARIA Acetic acid is produced from two stages of fermentation. At the first stage, in the anaerob condition sugars from the mixture of cocoa pulp and sucrose at 18% brix, was fermented with Saccharomyces cerevisiae producing ethanol. The next stage was by oxidation in aerobic process, where ethanol was transformed to acetic acid by Acetobacter aceti. The purpose of this research is to characterize the kinetic changes of acetic acid production from cocoa pulp through alcohol fermentation using batch and fed-batch fermentation added without and with cellulase (0 and 13.8 U/l medium fermentation). Result showed that the highest ethanol production was observed in 96 hours at 9.38% (w/v) µ max 0.01, Y x/s 0.31, Y p/s 0.53 by using fed-batch fermentation. Meanwhile the highest acetic acid production was observed at 7.84% (w/v) µ max 0.01, Y x/s 0.30, Y p/s 0.77 by using fed-batch fermentation. Key words: Cocoa pulp, ethanol, acetic acid, batch / fed-batch, and cellulase.

4 RINGKASAN VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor. Dibimbing oleh USMAN AHMAD, dan TRESNAWATI PURWADARIA. Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan salah satu komoditi ekspor nonmigas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam negeri terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Salah satu kelemahan kakao Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang terlalu tinggi sehingga menghasilkan biji kakao yang kurang baik. Pengurangan jumlah pulp sebelum biji kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman biji kakao. Pulp kakao mengandung glukosa dan sukrosa antara 12-15%, asam-asam organik, beberapa asam amino dan selulosa. Komposisi demikian cukup baik digunakan dalam proses fermentasi untuk menghasilkan asam asetat. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik fermentasi pulp kakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol menggunakan bioreaktor. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol menggunakan kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim selulase dalam bioreaktor. Rancangan acak lengkap faktorial digunakan dalam penelitian ini apabila terdapat perbedaan antar perlakuan dilanjutkan dengan uji Duncan Multiple Range Test (DMRT). Medium fermentasi 1000 ml (pulp kakao diencerkan 3x dengan medium Mandels ditambahkan sukrosa hingga kadar gula total substrat 18% Brix) dan inokulum Saccharomyces cerevisiae sebanyak 10% (v/v). Pada fermentasi alkohol masing-masing perlakuan terdiri dari batch tanpa enzim selulase; batch dengan penambahan selulase 13.8 U/l medium fermentasi; fedbatch tanpa enzim selulase, fed-batch dengan penambahan enzim selulase 13.8 U/l medium fermentasi. Selanjutnya etanol yang dihasilkan dari fermentasi alkohol dalam bioreaktor dilanjutkan dengan fermentasi asam asetat dengan menambahkan inokulum Acetobacter aceti sebanyak 10% (v/v). Hasil penelitian mengungkapkan bahwa S. cerevisiae dapat digunakan untuk fermentasi alkohol karena pulp kakao mengandung kadar gula reduksi sebesar 9.53% (b/v) dengan total padatan terlarut sebesar 18% brix, sedangkan A. aceti BTCC-618 dapat digunakan untuk fermentasi asam asetat. Kultur fed-batch dalam fermentasi alkohol pada medium pulp kakao merupakan perlakuan terbaik dimana etanol yang dihasilkan sebesar 9.38% (b/v) dengan µ max 0.01, Y p/s 0.53 dan Y x/s 0.31, sedangkan etanol yang dihasilkan pada kultur batch sebesar 8.23% (b/v) dengan µ max 0.03, Y p/s 0.57 dan Y x/s Produksi asam asetat yang dihasilkan dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol pada medium pulp kakao secara kultur fed-batch merupakan perlakuan terbaik sebesar 7.84% (b/v) dengan µ max 0.01, Y p/s 0.77 dan Y x/s 0.30.

5 Kombinasi penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi) pada kultur batch (jam ke-0) dan fed-batch (jam ke-48) dalam medium pulp kakao tidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap kadar etanol dan produksi asam asetat, demikian halnya dengan Y p/s dan Y x/s. Kata kunci: Pulp kakao, etanol, asam asetat, batch / fed-batch, dan selulase.

6 Hak cipta milik IPB, tahun 2009 Hak cipta dilindungi Undang-undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

7 KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT MENGGUNAKAN BIOREAKTOR VENTY INDRIANI PAIRUNAN Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknologi Pascapanen SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009

8 Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.)

9 Judul Tesis : Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor Nama : Venty Indriani Pairunan NIM : F Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr. Ketua Dr. Tresnawati Purwadaria Anggota Diketahui Ketua Program Studi Teknologi Pascapanen Dekan Sekolah Pascasarjana Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr. Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S. Tanggal ujian : 16 Januari 2009 Tanggal lulus : 29 Januari 2009

10 PRAKATA Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala limpahan kasih-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan karya ilmiah yang berjudul Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor. Penghargaan yang tulus diberikan kepada Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr. dan Dr. Tresnawati Purwadaria sebagai ketua dan anggota komisi pembimbing atas segala arahan, saran, masukan, dan bantuannya dalam penulisan karya ilmiah. Disamping itu, penghargaan juga penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.) selaku penguji luar komisi. Penulis bersyukur dan berterimakasih telah diberikan bantuan dalam melaksanakan penelitian oleh Prof. Dr. Ir. Hadi K. Purwadaria, M.Sc. dan Dr. Ir. Sofyan Iskandar, M.Si selaku Kepala Balai Penelitian Ternak Ciawi Bogor beserta staf. Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada staf Laboratorium Bioindustri, Teknologi Industri Pertanian, IPB yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah bersedia memberikan bantuan dan fasilitas selama penelitian. Doa dan kasih sayang yang senantiasa mengalir dari kedua orang tua tercinta dr. Ishak Pairunan, SpA. dan Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. beserta kakak dan adik-adik Fredy Revanio Pairunan, SE., Edward Ronaldo Pairunan, dan Lorenzo Pairunan untuk canda-tawa dan kasihnya yang selalu ada terimakasih. Sahabat-sahabat di program studi Teknologi Pascapanen angkatan 2006 Ibu Ros, Ibu Nona, Kak Deva, Etha, Darmayanti (Almh.) dan angkatan 2007 serta 2008 semangat kebersamaan membuat kita menjadi saudara dalam menyelesaikan studi. Doa senantiasa penulis panjaatkan kepada Tuhan Yesus Kristus agar kasih dan berkat serta damai sejahtera melimpah untuk kita semua AMIN. Bogor, Januari 2009 Venty Indriani Pairunan

11 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Ujung Pandang pada tanggal 6 September 1981 dari ayah dr. Ishak Pairunan, SpA. dan ibu Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. penulis merupakan putri kedua dari empat bersaudara. Tahun 2000 penulis tamat dari Sekolah Menengah Umum Gamaliel Makassar dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk Universitas Hasanuddin melalui jalur Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri. Penulis memilih program studi Agronomi, Fakultas Pertanian dan Kehutanan dan lulus pada tahun Tahun 2006 penulis berkesempatan melanjutkan studi magister sains program studi Teknologi Pascapanen pada Sekolah Pascasarjana IPB Bogor.

12 DAFTAR ISI DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... Halaman PENDAHULUAN Latar Belakang... 1 Tujuan Penelitian... 3 TINJAUAN PUSTAKA Pulp Kakao... 4 Fermentasi Alkohol... 5 Fermentasi Asam Asetat... 6 Enzim Selulase... 8 Bioreaktor Tipe Fermentor Sistem Operasi Bioreaktor Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi dalam Bioreaktor Kinetika Fermentasi METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Bahan dan Alat Metode Penelitian Pelaksanaan Penelitian Parameter yang Diamati Rancangan Percobaan HASIL DAN PEMBAHASAN Penentuan Galur S. cerevisiae untuk Produksi Etanol Penentuan Aerasi Kultur Batch dan Fed-Batch Peningkatan Optimasi Kadar Gula pada Substrat Fermentasi Alkohol Kultur Batch Fermentasi Alkohol Kultur Fed-batch Kinetika Fermentasi Alkohol Produksi Asam Asetat dari Substrat Etanol Hasil Fermentasi Alkohol dengan Perlakuan Batch dan Penambahan Enzim Selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi).. 42 Produksi Asam Asetat dari Substrat Etanol Hasil Fermentasi Alkohol dengan Perlakuan Fed-batch dan Penambahan Enzim Selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi).. 44 Kinetika Fermentasi Asam Asetat KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi xii xiv

13 DAFTAR TABEL Halaman 1. Komposisi pulp kakao Ivorian, Nigerian dan Malaysian Sakarifikasi dan fermentasi simultan selebiosa menjadi etanol menggunakan berbagai katalis Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium Mandels pada tiga kadar gula total dengan kultur fed-batch (anaerob) Perhitungan kinetika fermentasi alkohol Perhitungan kinetika fermentasi asam asetat yang dilanjutkan dari perlakuan fermentasi alkohol... 47

14 DAFTAR GAMBAR Halaman 1. Tahapan hidrolisis selulosa oleh enzim dan sistem sakarifikasi dan fermentasi sinambung selulosa menjadi etanol Penampang fermentor untuk fermentasi skala laboratorium Penampang bioreaktor berkapasitas 2 liter Diagram alir tahapan penelitian produksi asam asetat dari pulp kakao Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur S. cerevisiae Penurunan gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur S. cerevisiae Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch, fed-batch Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch dan fed-batch Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium Mandels dengan kadar gula total 6, 12, dan 18% pada kultur fed-batch (anaerob) Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem batch Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase serta menggunakan sistem batch Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem batch Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase dan menggunakan sistem batch Perubahan nilai ph medium fermentasi alkohol menggunakan sistem batch dengan dan tanpa penambahan enzim selulase... 34

15 15. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem fed-batch Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase serta menggunakan sistem fed-batch Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem fed-batch Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem fed-batch Perubahan nilai ph medium fermentasi alkohol menggunakan sistem fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim selulase Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan perubahan berat kering (dry weight) selama fermentasi asam asetat pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch tanpa penambahan enzim selulase Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch dengan penambahan enzim selulase Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara fed-batch tanpa penambahan enzim selulase Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara fed-batch dengan penambahan enzim selulase Perubahan nilai ph fermentasi asam asetat pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch dan fed-batch dengan penambahan enzim selulase... 46

16 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1. Komposisi media Mandels Nilai absorbansi dan volume inokulum yang ditambahkan Prosedur analisis parameter fermentasi Data awal fermentasi alkohol menggunakan kultur batch dengan penambahan selulase Data awal fermentasi alkohol menggunakan kultur fed-batch dengan penambahan selulase Analisis sakarifikasi enzim selulase terhadap pulp kakao Analisa statistik keragaman fermentasi alkohol Data awal fermentasi asam asetat menggunakan substrat etanol hasil fermentasi alkohol dengan perlakuan kultur (batch dan fed-batch) dan penambahan selulase Analisis statistik keragaman fermentasi asam asetat... 68