15 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Etanol merupakan salah satu sumber energi alternatif yang dapat dijadikan sebagai energi alternatif dari bahan bakar nabati (BBN). Etanol mempunyai beberapa kelebihan dari pada bahan bakar lain seperti premium antara lain sifat etanol yang dapat diperbaharui, menghasilkan gas buangan yang ramah lingkungan karena gas CO 2 yang dihasilkan rendah (Jeon, 2007). Molase adalah sirup yang mengandung glukosa dan fruktosa yang sangat sulit untuk dikristalkan. Molase merupakan produk limbah dari industri gula dimana produk ini masih banyak mengandung gula dan asam asam organik, sehingga merupakan bahan baku yang sangat baik untuk dijadikan sebagai bahan baku pembuatan etanol ataupun industri etanol. Bahan ini merupakan produk samping dari industri gula pasir dengan kandungan gula dari molase terutama sukrosa berkisar 40-55% (http://whfoods.com, 2008). Proses produksi etanol dapat dilakukan dengan cara fermentasi. Teknik fermentasi batch konvensional yang biasa dilakukan adalah dengan cara mencampurkan ragi yang mengandung sel Saccharomyces cerevisiae dengan substrat yang mengandung glukosa. Teknik ini memiliki beberapa kelebihan yaitu proses yang sederhana, pengontrolan reaksi yang mudah dan hasil yang dihasilkan relatif tinggi dikarenakan massa kritis dari sel lebih cepat terjadi. Namun teknik ini memiliki beberapa kelemahan antara lain sulitnya proses
16 isolasi produk hasil fermentasi dan juga sel yang digunakan tidak dapat diperoleh kembali sehingga ragi yang digunakan hanya dapat digunakan sekali saja. Teknik ini juga memiliki kekurangan antara lain sel yang digunakan dapat rusak dan mati diakibatkan oleh faktor inhibisi dari produk hasil fermentasi yaitu etanol. Etanol merupakan senyawa yang dapat memecah dinding sel dari sel Saccharomyces cerevisiae sehingga ketersediaan etanol dengan kapasitas tertentu dapat menyebabkan kematian sel Saccharomyces cerevisiae semakin cepat. Kadar etanol yang dapat ditoleransi oleh sel sebesar 14%. Sel Saccharomyces cerevisiae bebas juga tidak dapat mentoleransi dari perubahan lingkungan seperti ph dan suhu dari lingkungan media fermentasinya. Untuk dapat mengatasi masalah diatas maka dilakukan suatu teknik imobilisasi sel dengan metode penjebakan dalam mikrokapsul, dimana sel Saccharomyces cerevisiae yang digunakan dibatasi pergerakannya dalam suatu matrix dengan tidak mengurangi daya aktifitas dari sel tersebut, namun dapat meningkatkan daya aktivitasnya dan melindungi sel tersebut dari perubahan lingkungan. Keunggulan dari teknik imobilisasi yaitu dapat meningkatkan produktivitas volumetrik, meningkatkan konsentrasi produk dalam proses fermentasi, mampu menurunkan konsentrasi substrat (Goksungur et al, 2001) dan membuat proses pemisahan produk lebih mudah dikarenakan sel yang digunakan tidak larut dalam media fermentasi. Salah satu metode yang sangat umum dalam teknik imobilisasi sel adalah mikrokapsul. Metode ini didasarkan pada penjebakan sel di dalam suatu bead yang terdiri dari senyawa makromolekul ionotropik yang dapat membetuk gel jika bereaksi dengan suatu kation multivalen. Metode ini dapat dilakukan dengan cara mencampurkan sel dengan sebuah polimer anionik (makromolekul ionotropik) dan kemudian diikatsilangkan dengan kation multivalen untuk membentuk suatu struktur yang dapat menjebak sel. Adapun contoh zat pembawa yang dapat digunakan untuk menjebak sel adalah alginat (Smidsrod and Skjakbraek, 1990). Alginat merupakan matrix imobilisasi yang paling baik, dikarenakan oleh beberapa alasan antara lain : efisien dalam penggunaan, mudah digunakan, dapat dimodifikasi, dan tidak bersifat toksik.
17 Firman Sebayang (2006) telah melakukan penelitian tentang Pembuatan etanol dari molase secara fermentasi menggunakan sel Saccharomyces cerevisiae yang terimobilisasi pada kalsium alginat. Sel yang terimobil hanya terjebak pada satu lapisan (single layer) dari matrix, cara ini memiliki kelemahan yaitu ketidakmampuan sel dalam menahan pergerakan pertumbuhan sel yang terjadi di dalam bead. Hal ini disebabkan sel yang dijebak dapat memperbanyak diri didalam bead. Akibatnya sel yang dijebak dengan lapisan single kalsium alginat cenderung akan bocor dan sel akan terlepas dari dalam mikrokapsul. Untuk dapat mengatasi hal diatas, bead dari kalsium alginat harus dilapisi kembali dengan suatu lapisan luar yang tidak mengandung sel sehingga bead yang dihasilkan dapat terlapisi oleh dua lapisan (Yokotsuka et al, 1997). Penambahan lapisan dari bead dapat meningkatkan kestabilan dari bead sehingga dapat efisiensi penggunaan bead dapat meningkat. Salah satu lapisan yang dapat digunakan untuk melapisi bead Ca-Alginat-sel adalah kitosan. Hal ini didasarkan pada kemampuan dari kitosan yang memiliki gugus positif amino untuk mengisi kenegatifan dari gugus asam karboksil dari alginat secara ikatan ionik sehingga membentuk suatu kompleks polielektrolit (Takahashi et al, 1990). Atas dasar diatas, maka kitosan dapat digunakan sebagai lapisan kedua dari bead kalsium alginat yang menjebak sel Saccharomyces cerevisiae. Liouni (2007) telah melakukan penelitian tentang uji fisik dari sel Saccharomyces cerevisiae terimobil alginat-kitosan tersebut tanpa membahas uji kimia dan aspek etanol yang dihasilkan serta tidak membahas efisiensi dari penggunaan bead yang digunakan. Atas dasar tersebut penulis ingin mencoba untuk melakukan sebuah penelitian tentang imobilisasi sel Saccharomyces cerevisiae menggunakan kalsium alginat-kitosan dalam produksi etanol dari molase secara fermentasi batch dimana akan dilihat kadar etanol yang dihasilkan dari tiap fermentasi. Penelitian ini juga mengukur efisiensi penggunaan bead dalam proses fermentasi molase tersebut dengan mengukur perulangan penggunaan dari
18 bead dalam proses fermentasi serta pengaruh kerusakan permukaan bead terhadap kadar etanol yang dihasilkan. Pengujian kadar etanol dilakukan dengan menggunakan kromatografi gas. Hal ini didasarkan pada sifat fisik dari etanol yang mudah menguap. Kromatografi gas merupakan teknik kromatografi yang digunakan untuk memisahkan senyawa organik yang mudah menguap (Mardoni et al, 2007). Pengujian stabilitas bead dilakukan dengan melihat permukaan dari bead pada awal dan setiap akhir fermentasi menggunakan mikroskop cahaya dan juga diuji menggunakan uji tekanan osmosis. Pengujian ini didasarkan untuk mengetahui bagaimana pengaruh fermentasi dan lapisan kitosan dalam melapisi dan meningkatkan sifat fisik dari bead terhadap laju difusi substrat dan produk dari dan ke dalam bead, pengaruh ion perusak kestabilan bead dan faktor inhibisi dari etanol. Pengujian interaksi antara sel S. cerevisiae, Ca-alginat dan kitosan dilakukan dengan mikroskop cahaya dan fourier transform infra red (FT-IR). Penggunaan mikroskop dapat digunakan untuk melihat secara langsung lapisan dari kitosan dan alginat yang menyusun dari bead. Penggunaan FT-IR bertujuan untuk melihat apakah terdapat spektrum senyawa kitosan dan alginat yang menyusun dari sel imobil, terdapatnya spektrum tersebut menjadi landasan bahwa telah terlapisi ca-alginat-sel dengan kitosan. 1.2 Permasalahan 1. Bagaimana stabilitas sel Saccharomyces cerevisiae terimobil jika digunakan pada produksi etanol dari molase secara fermentasi batch? 2. Bagaimana jumlah produk etanol yang diperoleh menggunakan sel terimobil serta pengaruh kerusakan permukaan bead terhadap etanol yang dihasilkan?
19 1.3 Pembatasan masalah Dalam penelitian ini permasalahan dibatasi pada: 1. Sel Saccharomyces cerevisiae yang digunakan adalah sel yang telah diisolasi dari ragi roti saf-instan yang dijual di pasar sore Padang bulan 2. Molase yang digunakan adalah molase Black Strap 3. Molase yang digunakan memiliki kadar % gula reduksi sebesar 35.585% kemudian diencerkan hingga 14.295% dimana kadar gula reduksinya diuji menggunakan penentuan gula reduksi metode lane-eynon 4. Natrium alginat yang digunakan memiliki konsentrasi 3 % 5. Kitosan yang digunakan memiliki konsentrasi 1 % 6. Buffer yang digunakan adalah buffer sitrat 0,1 M dengan ph 4.0 7. Suhu fermentasi dilakukan pada suhu 30 o C 8. Waktu fermentasi yang digunakan adalah 48 jam 9. Jumlah (g) bead yang dipergunakan dalam fermentasi adalah 150 g 10. Jumlah (ml) media fermentasi yang digunakan adalah 150 ml 11. Etanol yang dianalisis kadarnya adalah etanol yang dipisahkan dengan media fermentasi menggunakan alat rotarievaporator. 1.4 Tujuan Penelitian 1. Untuk mengetahui stabilitas sel Saccharomyces cerevisiae terimobil jika digunakan pada produksi etanol dari molase secara fermentasi batch 2. Untuk mengetahui jumlah produk etanol yang diperoleh menggunakan sel terimobil serta pengaruh kerusakan permukaan bead terhadap etanol yang dihasilkan
20 1.5 Manfaat Penelitian Dari hasil penelitian diharapkan sel Saccharomyces cerevisiae terimobil dapat dimanfaatkan pada industri etanol maupun dalam pengolahan limbah molase (tetes tebu) dari pabrik gula tebu sehingga dapat menghasilkan etanol yang maksimal dangan penggunaan biomassa yang lebih efektif 1.6 Lokasi Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Biokimia FMIPA-USU, Laboratorium Kultur Jaringan FMIPA USU dan Laboratorium Terpadu USU. 1.7 Metodologi Penelitian 1. Penelitian ini adalah eksperimen yang dilakukan di laboratorium., dimana dilakukan isolasi sel Saccharomyces cereviceae dari ragi roti saf-instan dengan teknik cawan sebar kemudian dikembangkan dalam medium cair YPG (Yeast Peptone Glucose). Sel pada medium cair kemudian dijadikan starter sel. Sel Saccharomyces cerevisiae yang sudah murni diimobilisasi menggunakan alginat kitosan dengan teknik mikrokapsul dengan menggunakan jarum suntik (syringe) sehingga menghasilkan bead, bead yang merupakan sel yang telah diimobilisasi tersebut di cuci mengggunakan NaCl 0,9% sebanyak 3 kali. bead yang telah dicuci selanjutnya digunakan sebagai biomassa dalam fermentasi dari molase. Pengujian substrat hasil fermentasi dilakukan untuk mengetahui kadar etanol yang dihasilkan,
21 selanjutnya bead dicuci kembali menggunakan akuades sebanyak 3 kali dan digunakan dalam fermentasi berikutnya hingga diperoleh jumlah etanol yang menurun secara signifikan atau memiliki konsentrasi yang sama dengan fermentasi menggunakan sel bebas. Setiap selesai fermentasi dilakukan uji kerusakan permukaan bead menggunakan mikroskop cahaya. Bead yang dihasilkan juga dianalisa interaksi antara penyusunnya menggunakan mikroskop cahaya. Pengujian stabilitas bead dilakukan dengan melihat permukaan dari bead pada awal dan setiap akhir fermentasi menggunakan mikroskop cahaya dan juga diuji menggunakan uji tekanan osmosis. Adapun variabel variabel dalam penelitian adalah: 1. Variabel bebas adalah variabel yang mempunyai pengaruh terhadap jumlah etanol yang terbentuk yaitu : - Stabilitas dan bentuk permukaan dari mikrokapsul yang terbentuk - Konsentrasi glukosa dari molase 2. Variabel terikat adalah variabel yang terukur terhadap perubahan perlakuan. Dalam penelitian ini yang menjadi variabel terikat yaitu : - Jumlah etanol yang terbentuk - Efisiensi penggunaan sel Saccharomyces cerevisiae yang terimobilisasi (bead) dalam fermentasi - Konsentrasi glukosa dari molase tiap akhir fermentasi 3. Variabel tetap adalah variabel yang dibuat tetap sehingga tidak menyebabkan terjadinya perubahan variabel terikat. Dalam penelitian ini variabel tetap adalah : - Konsentrasi alginat - Konsentrasi kitosan - Konsentrasi CaCl 2 - Waktu fermentasi - ph dan suhu fermentasi - Jumlah (g) bead yang digunakan tiap fermentasi