laporan TA23juni

  • Upload
    kusnadi

  • View
    247

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Abdul Rozak KOdarif

Citation preview

FERMENTASI ETANOL SECARA KONTINYU DARI BUAH NANAS MENGGUNAKAN SEL IMMOBIL DALAM BIOREAKTOR UNGGUN DIAM

Continuous Ethanol Fermentation from Pineapple using Immobilized Cells in Packed Bed Bioreactor

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan DIPLOMA III PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIAJURUSAN TEKNIK KIMIA

OlehAbdul Rozak Kodarif 121411001Opik Taufik Rahayu 121411022

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG2015

26

LEMBAR PENGESAHAN

FERMENTASI ETANOL SECARA KONTINYU DARI BUAH NANAS MENGGUNAKAN SEL IMMOBIL DALAM BIOREAKTOR UNGGUN DIAM

Penulis :1. Abdul Rozak Kodarif 1214110012. Opik Taufik Rahayu 121411022

Penguji :1. Ketua:2. Anggota:3. Anggota:Tugas Akhir ini telah disidangkan pada tanggal ..dan disahkan sesuai ketentuan yang berlaku

Ketua Jurusan Teknik Kimia

Iwan Ridwan., ST., MTNIP. 19770714 200604 1 001Pembimbing

Ir. Unung Leoanggraini., MTNIP. 19671215 199403 2 002

PERNYATAAN TERTULIS

Kami yang bertandatangan di bawah ini menyatakan bahwa laporan tugas akhir ini adalah murni hasil pekerjaan sendiri. Tidak ada pekerjaan orang lain yang digunakan tanpa menyebutkan sumbernya.

Materi dalam Laporan Tugas Akhir ini tidak/belum pernah disajikan/digunakan sebagai bahan untuk makalah/Tugas Akhir lain.

Kami memahami bahwa Laporan Tugas Akhir yang dikumpulkan ini dapat diperbanyak dan atau dikomunikasikan untuk tujuan mendeteksi adanya plagiatisme.

Judul Tugas Akhir:Fermentasi Etanol Secara Kontinyu Dari Buah Nanas Menggunakan Sel Immobil Dalam Bioreaktor Unggun Diam

Bandung, Juni 2015

Yang menyatakan,

Abdul Rozak KodarifOpik Taufik Rahayu

NIM: 121411001NIM: 121411022

Mengetahui,

Pembimbing

Ir. Unung Leoanggraini., MT

NIP. 19671215 199403 2 002

MOTTO

ABSTRAKSI

Pengembangan bahan bakar alternatif yang murah dan ramah lingkungan merupakan solusi terbaik untuk menghemat bahan bakar fosil, salah satunya adalah etanol atau bioetanol. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan pengaruh rasio campuran filtrat nanas terhadap sukrosa dan waktu tingggal optimum dari proses fermentasi kontinyu terhadap bioethanol yang dihasilkan. Pada proses produksi bioetanol ini menggunakan bahan baku yang berasal dari filtrat nanas serta mikroorganisme yang digunakan adalah saccharomyces cerevisae. Untuk mendapatkan yield bioethanol yang tinggi akan dilakukan percobaan secara fermentasi kontinyu dalam bioreaktor packed-bed. Metode penelitian dilakukan dengan memvariasikan rasio campuran filtrat nanas terhadap sukrosa dan waktu tinggal. Variasi rasio campuran filtrat nanas terhadap sukrosa memiliki perbandingan antara volume filtrat nanas dan gula masing masing adalah 0 ml : 500 ml untuk substrat 1 (S1); 500 ml : 0 ml untuk substrat 2 (S2); 250 ml : 250 ml untuk substrat 3 (S3). Untuk variasi waktu tinggal yang digunakan adalah 20, 25, dan 28 jam. Parameter uji yang digunakan pada penelitian ini adalah kadar gula tereduksi dan bioethanol. Dalam penelitian ini hasil percobaan pada S2 dan waktu tinggal 20 jam merupakan kondisi yang optimum dimana menghasilkan yield dan kadar yang maksimal masing masing sebesar 94,61 % dan 7% (v/v).

Kata kunci : bioethanol, buah nanas, substrat, waktu tinggal, kadar etanol, kadar gula reduksi, kondisi optimum

ABSTRACT

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat serta karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan laporan Tugas Akhir dengan judul Fermentasi Etanol Secara Kontinyu Dari Buah Nanas Menggunakan Sel Immobil Dalam Bioreaktor Unggun Diam dengan tepat waktu. Pada Kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih atas segala petunjuk, bimbingan serta dukungannya kepada :1. Ir. Unung Leoanggraini, MT., selaku pembimbing yang telah memberikan waktunya untuk membimbing penulis selama melakukan kerja praktik hingga penyelesaian laporan.2. Iwan Ridwan, ST., MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung.3. Rispiandi, ST.MT, selaku Ketua Program Studi D-III Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung.4. Ir. Rintis Manfaati, MT., selaku koordinator Tugas Akhir.5. Kedua orang tua penulis yang telah memberikan dorongan moril serta materi.6. Semua pihak yang telah membantu dalam pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.Penulis menyadari bahwa penyusunan laporan ini masih banyak kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan saran demi perkembangan positif bagi penulis. Semoga laporan kerja praktik ini dapat bermanfaat.

Bandung, Juli 2015

Penulis

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHANiPERNYATAAN TERTULISiiMOTTOiiiABSTRAKSIivABSTRACTvKATA PENGANTARviDAFTAR ISIviiDAFTAR TABEL38DAFTAR GAMBAR39DAFTAR LAMPIRAN40DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN41BAB I PENDAHULUAN421.1Latar Belakang421.2Rumusan Masalah431.3Tujuan Penelitian431.4Ruang Lingkup dan Batasan Masalah441.5Sistematika Penulisan44BAB II TINJAUAN PUSTAKA462.1Bioetanol462.2Nanas472.3Mikroorganisme Fermentasi Etanol482.3.1Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae)482.3.2Kinetika pertumbuhan mikroba502.4Fermentasi Etanol522.4.1Immobilisasi Sel532.4.2Media Fermentasi552.4.3Faktor Fisik562.4.4Moda Operasi Fermentasi Etanol572.5Pembentukan Produk Fermentasi58BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN603.1Alat dan Bahan603.2Tahapan Pelaksanaan Penelitian633.2.1Tahap Persiapan Bahan dan Alat643.2.2Tahap Percobaan Awal683.2.3Tahap Fermentasi Kontinyu693.2.4Tahap Analisis Hasil703.2.5Tahap Pengolahan Data70BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN724.1Proses Fermentasi Batch724.2Proses Fermentasi Kontinyu724.2.1Pengaruh Variasi Rasio Campuran Substrat Terhadap Bioethanol Yang Dihasilkan734.2.2Pengaruh Variasi Waktu Tinggal Terhadap Bioethanol Yang Dihasilkan74BAB V KESIMPULAN DAN SARAN755.1Kesimpulan755.2Saran75DAFTAR PUSTAKA76LAMPIRAN79

DAFTAR TABEL

DAFTAR GAMBAR

DAFTAR LAMPIRAN

DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangKonsumsi Bahan Bakar Minyak (BBM) di Indonesia pada tahun 2012 sebesar 44,78 juta kiloliter dan mengalami kenaikan sebesar 1,56 juta kiloliter pada 2013 (Gideon A, 2014). Seiring dengan peningkatan konsumsi BBM dan berkurangnya cadangan miyak bumi di Indonesia maka perlu dikembangkan sumber energi alternatif. Hal ini sejalan dengan Peraturan Presiden No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai bahan bakar pengganti minyak dan INPRES No. 1 Tahun 2006 tentang penyediaan dan pemanfaatan bahan bakar nabati (biofuel) sebagai bahan bakar lain. (ESDM, 2006) Bioetanol merupakan bahan bakar nabati yang potensial untuk dikembangkan melalui proses fermentasi.Proses fermentasi etanol pada dasarnya mengubah glukosa menjadi etanol dengan memanfaatkan mikoroorganisme. Bahan baku yang dapat digunakan untuk fermentasi etanol berasal dari bahan yang mengandung pati, gula dan serat selulosa. Ketersediaan bahan baku untuk fermetasi etanol di Indonesia sangat melimpah. Salah satu bahan yang potensial untuk dikembangkan mejadi etanol adalah buah nanas, buah tersebut memiliki kandungan gula sebesar 10 %. (Dalimartha & Adrian, 2013). Nanas merupakan komoditas unggulan di Jawa Barat dengan produksi mencapai 117.363 ton pada tahun 2013. (BPS, 2013)Proses fermentasi etanol secara konvensional dilakukan melalui proses batch. Proses fermentasi batch memiliki kemudahan dalam pengendalian proses fermentasi dan kontaminasi mikroorganisme. Kelemahan proses ini adalah nilai konsentrasi etanol yang dihasilkan rendah hal ini diakibatkan karena adanya akumulasi produk yang dihasilkan dapat meracuni mikroorganisme. Akumulasi produk tersebut dapat menurunkan secara perlahan lahan dan bahkan menghentikan pertumbuhan serta aktivitas metabolisme mikroorganisme. (Darmawan & Widjaja, 2008). Upaya untuk mengatasi hal ini adalah dengan melakukan fermentasi etanol secara kontinyu, sehingga tidak terjadi akumulasi produk selama proses berlangsung.Penelitian terdahulu yang telah dilakukan oleh Darmawan dan Widjaja (2008), pada proses fermentasi etanol secara kontinyu menggunakan substrat molase dengan sel immobilisasi zymomonas mobilis dalam bioreaktor packed-bed menghasilkan konsentrasi, yield serta produktivitas etanol berturut turut adalah 52,074 g/L, 50,14 %, 12,876 g/L.jam, sedangkan pada proses batch dengan menggunakan substrat dan sel yang sama menghasilkan konsentrasi, yield serta produktivitas etanol berturut turut adalah 7.39 g/l, 23%, 0.205 g/L.jam. Penelitian terkait pengaruh konsentrasi substrat dan Ca-Alginat untuk immobilisasi sel dilakukan oleh AS, Widjaja, dan Altway (2009) mendapatkan hasil terbaik pada konsentrasi substrat molase sebesar 18 % dan konsentrasi Ca- alginat sebesar 2 % dengan konsentrasi bioethanol yang diperoleh sebesar 8,54 % v/v. Penelitian yang dilakukan oleh Escobar dkk (2012) menggunakan sel immobil Sacharomyces Cerevisae menghasilkan produktivitas etanol optimum dari batang bagas dan tongkol jagung sebesar 13,00 g/L.jam dan 10,66 g/L.jam

1.2 Rumusan MasalahPenelitaian tentang proses fermentasi etanol secara kontinyu telah dilakukan oleh para peneliti sebelumnya. Proses fermentasi etanol secara kontinyu menghasilkan yield yang lebih tinggi dibandingkan proses batch. Pemakaian sel ammobil dalam bioreactor packed-bed akan lebih memudahkan perlakuan proses hilir dalam pemisahan produk dan pemakaian biomassa sel sebagai katalis biologik.Dalam penelitian ini akan dikaji pemanfaatan buah nanas sebagai substrat untuk proses fermentasi etanol, pengaruh rasio filtrat nanas terhadap larutan sukrosa optimum untuk menghasilkan konsentrasi etanol dan yield yang paling tinggi. Salain itu dikaji pula pengaruh waktu tinggal dalam proses fermentasi kontinyu dalam bioreactor packed-bed terhadap konsentrasi dan yield bioethanol yang dihasilkan.

1.3 Tujuan PenelitianTujuan penelitian ini adalah :a. Menentukan waktu reaksi optimum fermentasi etanol pada proses batch.b. Menentukan pengaruh rasio campuran filtrat nanas dan sukrosa pada proses fermentasi kontinyu terhadap bioethanol yang dihasilkan. c. Menentukan waktu tinggal optimum proses fermentasi kontinyu terhadap bioethanol yang dihasilkan.

1.4 Ruang Lingkup dan Batasan MasalahRuang lingkup dan batasan masalah dalam peneltian ini meliputi :a. Pelaksanaan proses fermentasi dilakukan secara batch dan kontinyu dalam skala laboratorium. Mikroorganisme yang digunakan Saccharomyces Cervisae yang diperoleh dari laboratorium Bioproses Politeknik Negeri Bandung. Proses immobilisasi menggunakan larutan Ca-Alginat 2%.b. Substrat yang digunakan pada proses fermentasi batch adalah sukrosa sedangkan untuk proses fermentasi kontinyu menggunakan campuran filtrat nanas dan sukrosa. Konsentrasi sukrosa yang digunakan sebesar 10 %.c. Nanas yang digunakan didapat dari pedagang nanas Cibaduyut, Bandung.d. Variabel yang divariasikan adalah rasio campuran subsrat dan waktu tinggal. e. Waktu tinggal yang digunakan pada variasi rasio campuran substrat merupakan waktu reaksi optimum pada proses fermentasi batch. Nilai rasio substrat optimum ini selanjutnya digunakan untuk percobaan variasi waktu tinggal.f. Metode analisa yang digunakan ialah analisa gula tereduksi dilakukan dengan metode spektrofotometri menggunakan reagen DNS dan analisa kadar etanol dilakukan dengan metode refraktometri

1.5 Sistematika PenulisanSistematika penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :BAB I PENDAHULUANBab ini meliputi latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, ruang lingkup dan batasan serta sistematika penelitian.BAB II TINJAUAN PUSTAKABab ini mengkaji tinjauan pustaka yang berkaitan dengan teori yang berhubungan dengan penelitian ini serta menjadi acuan dalam pelaksanaan penelitianBAB III METODA DAN PENYELESAIAN MASALAHBab ini menguraikan metode yang digunakan untuk memperoleh, mengolah, dan menganalisis data penelitian.BAB IV HASIL DAN PEMBAHASANBab ini meliputi hasil penelitian serta pembahasan dari data yang diperoleh selama penelitian berlangsung.BAB V KESIMPULAN DAN SARANBab ini berisi mengenai pengambilan kesimpulan yang didasarkan pada hasil dan pembahasan yang telah dilakukan serta saran saran yang dapat diberikan untuk perbaikan pada penelitian ini.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 BioetanolBioetanol merupakan etanol yang dihasilkan dari proses fermentasi. Bioetanol menjadi salah satu energi alternatif yang sudah banyak berkembang. Pemanfaatan bioethanol sebagai bahan bakar harus memenuhi standar kemurniansebesar 99,5 % (BSN, 2008) Sifat sifat fisik dan kimia etanol ditunjukankan pada Tabel II.1

Tabel II.1 Sifat Fisik dan Kimia EtanolParamaterNilai

Bentuk fisikWarnaVapor PressureVapor DensityViscosityBoiling PointMelting PointSolubilitySpecific GravityMolecular WeightMolecular FormulaLiquidBening (tak berwarna)59,3 mm Hg @ 20oC1,591.200 cP @ 20oC78oC-114oCTerlarut0,79 @ 20oC46,0414C2H5OH

(sumber : Vee Gee Scientific, Inc, 2004)

Produksi bioetanol pertama kali (First Generation Biofuels) dibuat dari tanaman yang menghasilkan pati seperti jagung dan gandum, selain itu juga berasal dari tanaman yang menghasilkan gula seperti tebu. (Restmac, 2006) Perkembangan produksi bioetanol ditunjukan dengan munculnya Second Generation of Biofuels. Pada era ini bahan baku yang digunakan dapat berupa lignoselulosa seperti semua biomassa yang mengandung kayu serta limbah residu dari kehutanan.Bioethanol merupakan bahan bakar yang bersih dan ramah lingkungan karena emisi gas karbon monoksida yang dihasilkan lebih rendah 19-25 % dibanding BBM. Selain itu angka oktan etanol mencapai 129, nilai oktan tersebut lebih tinggi dibandingkan dengan bilangan oktan bbm pertamax yaitu 92. Sehingga, proses pembakaran etanol menghasilkan emisi gas buang yang lebih stabil. (Kementrian Riset dan Teknologi Republik Indonesia, 2012)

2.2 NanasBuah nanas atau Ananas comosus merupakan buah berduri yang dapat tumbuh didaerah tropik dan subtropik. Tanaman nanas merupakan famili dari bromiliaceae dan ordo farinosae. Berdasarkan habitus tanaman, dikenal 4 jenis golongan nanas, 4 golongan tersebut ditunjukkan oleh Tabel II.5.

Tabel II.5 Golongan NanasNamaBentuk DaunBentuk DuriBentuk Buah

CayeneHalusTidak berduriBesar

QueenPendekTajamLonjong mirip kerucut

SpanishPanjang dan kecilHalus dan kasarBulat dan mata datar

AbacaxiPanjangKasarPiramida

(sumber : BPPIPT, 2000)Negara Indonesia merupakan salah satu negara penghasil buah nanas. buah nanas yang dibudidayakan di Indonesia merupakan golongan Cayene dan Queen. Pembudidayaan nanas di Indonesia berpusat di daerah Sumatra Utara, Riau, Sumatra Selatan, Jawa Barat dan Jawa Timur. Nanas Jawa Barat merupakan salah satu produk unggulan yang memiliki produktivitas mencapai 117.363 ton pada tahun 2013. (BPS, 2013) Tanaman nanas memiliki berbagai macam manfaat. Bagian utama yang bernilai pada tanaman nanas adalah buahnya. Buah nanas selain dikonsumsi segar juga diolah menjadi selai dan sirup. Selain itu, buah nanas diketahui banyak mengandung gula, sehingga bisa digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan bioetanol. Kandungan buah nanas dapat dilihat pada Tabel2.5

TabelII.5 Kandungan Buah NanasKandunganJumlah (%)

KarbohidratSeratKalsiumManganKaliumMagnesiumFosforVitamin AVitamin CVitamin B6ThiaminGulaKadar air12,81,30,010,0010.10,020,010,0030,020,00010,00011087

(Sumber: Dalimartha & Adrian, 2013)

2.3 Mikroorganisme Fermentasi EtanolMikroorganisme penghasil etanol dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu bakteri dan ragi. Mikroorganisme tersebut mengandung enzim zymase dan invertase sehingga dapat mengurai glukosa menjadi etanol. Laju pertumbuhan ragi lebih rendah dibandingkan dengan bakteri sehingga proses fermentasi akan berlangsung lambat, namun ragi dapat menghasilkan yield etanol yang lebih tinggi karena sifatnya yang lebih toleran terhadap lingkungan (Juwita, 2012)Bakteri tergolong kedalam struktur sel prokariota yang tidak memiliki selaput inti. Berdasarkan bentuknya, bakteri dibagi menjadi tiga yaitu berbentuk bulat (Coccus), silinder (Bacillus), lengkung (Spirilum). Bakteri berkembang biak dengan cara membelah diri. Dalam suhu 22 35 oC, bakteri dapat membelah diri dari satu menjadi 8 juta dalam waktu 20 menit. Jenis bakteri penghasil etanol diantaranya zymomonas mobilis dan zymobacter palmae (Ipak & dkk, 2012). Zymomonas mobilis merupakan jenis bakteri yang sering digunakan. Zymomonas mobilis dapat mengkonversi etanol dari gula seperti glukosa, fruktosa dan sukrosa. Selain gula sebagai sumber karbon, dibutuhkan juga sumber nitrogen sebagai nutrisi. Sumber nitrogen yang sering digunakan untuk zymomonas mobilis adalah (NH4)2SO4 dan CH4N2O (kampen, 2000).Ragi tergolong kedalam struktur sel eukariota yang memiliki selaput inti yang berfungsi untuk membungkus materi genetiknya. Ragi berkembang biak dengan suatu proses yang dikenal dengan istilah pertunasan. Mula mula sel ragi yang telah matang membentuk tonjolan pada dinding tubuhnya, disertai dengan proses mitosis yang akan membentuk dua buah inti sel. Pada saat tunas telah terbentuk, satu buah inti sel sebagai hasil pembelahan mitosis bergerak memasuki tunas tersebut dan kemudian akan memisahkan diri dari induknya hingga terbentuk individu baru. Jenis ragi penghasil etanol diantaranya saccharomyces cerevisiae, saccharomyces anamnesis, dan schizosaccharomyces pombe (Ipak & dkk, 2012). Saccharomyces cerevisiae merupakan jenis ragi yang sering digunakan untuk fermentasi etanol karena lebih tahan terhadap suhu 30 40oC dan pH 4 5. Saccharomyces cerevisiae dapat mengkonversi etanol dari gula seperti glukosa, fruktosa, galaktosa, manosa, sukrosa dan maltose. Sumber nitrogen yang sering digunakan untuk Saccharomyces cerevisiae adalah yeast extract, peptone, dan (NH4)2SO4 (kampen, 2000).2.3.1 Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae)Saccharomyces cerevisiae merupakan jenis ragi yang secara morfologi berbentuk blastospora berbentuk bulat lonjong, silindris, oval atau bulat telur. Dilihat dari tampilan makroskopis saccharomyces cerevisiae memiliki koloni berwarna kuning muda, permukaan berkilau, licin dan bertekstur lunak seperti yang ditampilkan pada Gambar II.1.

Gambar II.1 Saccharomyces cerevisiae (Zainuddin, 2005)

Saccharomyces cerevisiae banyak digunakan dalam industri makanan, misalnya dalam pembuatan roti dan minuman beralkohol. Selain industri makanan, saccharomyces cerevisae berpotensi digunakan untuk memproduksi etanol sebagai bahan bakar alternatif yang merupakan hasil konversi dari sumber karbon seperti glukosa.Saccharomyces cerevisiae dapat dibedakan berdasarkan kode jenisnya yaitu R-28, R-58, R-60, R-61 dan R-62 masing masing memiliki toleransi berbeda terhadap lingkungannya. Dalam penelitian yang telah dilakukan dengan konsentrasi substrat glukosa 10 %, pH 4.5 dan suhu 30oC, jenis saccharomyces cerevisiae yang paling baik digunakan adalah R-60 karena memiliki toleransi terhadap lingkungan lebih baik sehingga R-60 dapat mengkonversi etanol 20 - 46,7 % lebih tinggi dari jenis lainnya (Dewi, 2006).pH berpengaruh terhadap kinerja saccharomyces cerevisiae dalam memproduksi etanol. Saccharomyces cerevisiae tidak toleran terhadap kondisi yang terlalu asam ataupun terlalu basa. Pada penelitian yang telah dilakukan dengan menggunakan konsentrasi substrat 8 % mengatakan bahwa pH optimum pada fermentasi etanol menggunakan saccharomyces cerevisiae adalah 4,5 yang dapat menghasilkan yield sebesar 40,9% (Asga, 2006). Dalam proses fermentasi etanol, konsentrasi substrat yang digunakan mempengaruhi pertumbuhan pada saccharomyces cerevisiae. Konsentrasi substrat yang berlebihan akan mengakibatkan inhibisi substrat yang akan meracuni sel. Dalam penelitian yang dilakukan Asga, 2006 mengatakan bahwa konsentrasi paling optimum pada substrat glukosa dengan menggunakan saccharomyces cerevisiae adalah 18,6 %. Konsentrasi tersebut menghasilkan jumlah sel 50 % lebih banyak dari konsentrasi glukosa 5 %. Waktu fermentasi berpengaruh terhadap aktivitas pertumbuhan saccharomyces cerevisiae. Aktivitas pertumbuhan saccharomyces cerevisiae mempengaruhi produksi etanol, meningkatnya aktivitas sell menyebabkan peningkatan produksi etanol. Sehingga semakin lama waktu fermentasi maka etanol yang dihasilkan semakin bertambah dan terakumulasi. Akumulasi etanol yang berlebih akan menjadi senyawa toksik yang akan menghentikan aktivitas pertumbuhan mikroorganisme. Pada penelitian yang telah dilakukan mengatakan bahwa produktivitas etanol dengan menggunakan saccharomyces cerevisiae akan terus meningkat hingga jam ke-35 dan akan cendenrung konstan hingga jam ke-40. Rentang antara jam ke 35-40 ini merupakan fase dimana produktivitas etanol mencapai titik maksimum. Diatas 40 jam maka produktivitas etanol akan menurun dikarenakan akumulasi etanol yang berlebih (Asga, 2006).2.3.2 Kinetika pertumbuhan mikrobaPertumbuhan merupakan proses bertambahnya ukuran atau substansi atau masa zat suatu organisme. Pada organisme bersel satu pertumbuhan lebih diartikan sebagai pertumbuhan koloni, yaitu pertambahan jumlah koloni, ukuran koloni yang semakin besar atau subtansi atau massa mikroba dalam koloni tersebut semakin banyak, pertumbuhan pada mikroba diartikan sebagai pertambahan jumlah sel mikroba itu sendiri.Pertumbuhan didefinisikan sebagai sebagai pertambahan kuantitas konstituen seluler dan struktur organisme yang dapat dinyatakan dengan ukuran, diikuti pertambahan jumlah, pertambahan ukuran sel, pertambahan berat atau massa dan parameter lain. Sebagai hasil dari pertumbuhan ukuran dan pembelahan sel atau penambahan jumlah sel maka terjadi pertumbuhan populasi mikroba (Iqball, 2008 dalam Hidayat, 2009)Pertumbuhan dapat diamati dari meningkatnya jumlah sel atau massa sel (berat kering sel). Pada umumnya bakteri dapa memperbanyak diri dengan pembelahan biner, yaitu dari satu sel membelah menjadi dua sel. Waktu yang dibuthkan untuk membelah dari satu sel menjadi dua sel sempurna disebut waktu generasi. Waktu yang diperlukan oleh sejumlah sel atau massa sel menjadi dua kali jumlah/massa sel semula disebut doubling time atau waktu penggandaan.Pertumbuhan kultur mikroba umumnya dapat digambarkan dalam suatu kurva pertumbuhan. Pertumbuhan mikroba dapat terbagi dalam beberapa tahap yaitu:a. Fase adaptasi atau fase lagPada fase ini mikroba menyesuaikan diri dengan lingkungan dan medium baru, mikroba berusaha merombak materi-materi dalam medium agar dapat digunakan sebagai nutrisi untuk pertumbuhannya.b. Fase log atau fase pertumbuhanFase log atau pertumbuhan dipercepat adalah fase pertumbuhan dan perkembanganbiakan mikroba dimana jumlahnya meningkat dengan cepat. Pada fase ini mikroba sudah bisa menggunakan nutrisi dalam medium fermentasic. Fase stasionerFase stasioner adalah fase dimana laju pertumbuhan tetap yaitu pada laju pertumbuhan maksimum, namun jumlah mikroba yang mati juga bertambah. Kenaikan ini diakibatkan oleh berkurangnya nutrien dan akumulasi senyawa toksik.d. Fase kematian atau fase menurunFase kematian adalah fase terhentinya pertumbuhan disertai meningkat jumlah mikroba yang mati.

Gambar II.2 Fasa pertumbuhan mikroba (Shuler & Kargi, 1992)

Saccharomyces cerevisiae merupakan jenis mikroba yang memiliki kemampuan beradaptasi pada fase log yang singkat. Berdasarakan penelitian yang dilakukan oleh Asga, 2006 yang menggunakan sebstrat glukosa 10 %, fase lag pada saccharomyces cerevisiae berada diantara 0 5 jam yang dimana belum terjadi pertumbuhan yang signifikan. Pada 5 30 jam merupakan fase eksponensial dimana jumlah sel bertambah dengan cepat. Fase stasioner mulai terlihat pada jam ke-30, namun masih ada sedikit kenaikan hingga jam ke-40. Jumlah sel benar benar konstan pada 40 50 jam. Pernyataan tersebut dapat dijelaskan pada gambar.

Gambar II Kurva Pertumbuhan Saccharomyces cerevisiae (Asga, 2006)

2.4 Fermentasi EtanolFermentasi etanol merupakan suatu reaksi pengubahan sumber karbon menjadi etanol dan karbon dioksida. Pada proses fermentasi etanol respirasi yang terjadi merupakan anaerob karena pada kondisi aerob, sumber karbon akan terkonversi menjadi H2O dan CO2 melalui 3 tahap yaitu glikolisis, siklus krebs, dan transport elektron seperti yang terlihat pada Gambar..Pada proses fermentasi etanol, pertama-tama glukosa akan dipecah manjadi asam piruvat dengan bantuan energi dalam bentuk NAD+, melalu lintasan glikolisis. Kemudian asam piruvat yang dihasilkan dari proses glikolisis akan diubah menjadi asetaldehid dan CO2. Selanjutnya, asetaldehid diubah menjadi alkohol. (Puspitasari, 2009) Jalur metabolisme fermentasi etanol dapat dilihat pada Gambar II.3.Reaksi yang terjadi selama proses fermentasi adalah :Reaksi Glikolisis (Pembentukan Asam Piruvat)Glukosa + 2ADP + 2Pi + NAD+ 2Asam Piruvat + 2ATP + 2NADH + 2H2O + 2H+(1)C6H12O6+ 2 ADP + 2 Pi+ 2 NAD+ 2 CH3COCOO+ 2 ATP + 2 NADH + 2 H2O + 2H+(2)Reaksi Pembentukan Asetaldehid2Asam Piruvat 2Asetaldehid + 2CO2(3)2CH3COCOO 2 CH3CHO + 2 CO2(4)Reaksi Pembentukan Etanol2Asetaldehid + 2NADH + 2H+ 2Etanol + NAD+(5)2 CH3CHO + 2NADH + 2H+ 2 C2H5OH(6)Reaksi keseluruhan pada fermentasi ditunjukan pada reaksi dibawah ini :C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2+ 2 ATP ( H : -118kJ/mol)(7)

Gambar II.3 Jalur Metabolisme Fermentasi Etanol. (Shuler & Kargi, 1992)

2.4.1 Immobilisasi Selamobilisasi sel secara bahasa diartikan sebagai sel yang dibuat tidak berpindah. Sedangkan menurut istilah amobilisasi sel merupakan metoda untuk menjerat atau mengikat sel secara fisik pada suatu ruang tertentu dimana sel masih memiliki aktivitas katalitik serta dapat dipergunakan secara kontinu dan berulang kali (Brodelius, 1985). Berdasarkan media pengikatnya, ada dua jenis sel immobilisasi yaitu immobilisasi aktif dan immobilisasi aktif.Immobilisasi aktif dilakukan dengan dua metoda yaitu metoda penjeratan dan metoda pengikatan. Metoda penjeratan atau entrapping dilakukan secara fisik dalam matriks pendukung. Matriks pendukung yang bisa digunakan yaitu polimer porous (agar, alginate, carragenan, polyacrylamide, chitosan, gelatin, collagen), porous metal screen, polyurethane, silicagel, polystyrene, dan selulosa triacetate. Metoda pengikatan dibagi menjadi dua yaitu carrier binding dan cross linking yang dilakukan dengan cara mengikatkan sel pada permukaan suatu matriks ataupun dengan cara pembentukan ikatan intermolekular antar sel. a. Carrier Binding

Gambar II.4 Carrier Binding (Institute, n.y)enzim diikatkan pada suatu matriks yang bersifat tidak larut dalam air. Sebagai matriks dapat digunakan bahan organik maupun anorganik. Bila menggunakan metode ini, hal yang perlu diperhatikan adalah pemilihan matriks dan pengikatan enzim pada matriks tersebut. Teknik pengikatan enzim pada matriks dapat dilakukan berdasarkan adsorpsi fisik, gaya elektrostatik atau ikatan kovalen (Chibata, 1978).b. Cross Linking

Gambar II.5 Cross Linking (Institute, n.y)Metode cross linking didasarkan pada pembentukan ikatan intermolekuler antara molekul-molekul enzim. Gugus fungsional dalam molekul enzim yang biasa digunakan untuk pembentukan ikatan intermolekmuler adalah gugus amino pada asam amino terminal, gugus amino dari lisin, gugus fenolik dari tirosin, gugus sulhidril dari sistein dan gugus imidazole dari histidin. (Chibata, 1978).c. Entrapping

Gambar II.6 Entrapping (Institute, n.y)Pada metode entrapping, imobilisasi, enzim/sel didasarkan pada penempatan enzim di dalam kisi dari suatu polimer atau di dalam membran yang bersifat semi permiabel. Bila enzim ditempatkan dalam kisi, maka metode yang digolongkan adalah jenis kisi, sedang bila ditempatkan dalam membran yang bersifat semipermiabel, maka metodenya digolongkan ke dalam jenis mikrokapsul (Chibata, 1978).Immobilisasi pasif berbentuk biological films berupa lapisan-lapisan koloni sel yang tumbuh dan melekat pada permukaan pendukung yang padat. Material pendukung dapat bersifat inert atau aktif secara biologis. Biological films digunakan pada pengolahan limbah atau fermentasi mikroba dengan jamur.2.4.2 Media FermentasiMedia fermentasi merupakan faktor penting dalam proses berlangsungnya proses fermentasi. Pada media fermentasi terdapat beberapa syarat agar mikroba yang digunakan dapat tumbuh dan berkembang dengan baik, syarat tersebut adalah :a. Dalam media harus terkandung semua unsur hara yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangbiakan mikroba.b. Media harus mempunyai tekanan osmosa, tegangan permukaan, dan pH yang sesuai dengan kebutuhan mikrobac. Media harus dalam keadaan steril sehingga tidak ditumbuhi mikroba lain.Pada proses fermentasi, media fermentasi membutuhkan nutrien sebagai faktor penunjang pertumbuhan serta metabolism sel. Jenis nutrient yang dibutuhkan mikroorganisme terdiri dari dua jenis yaitu mikronutrien dan makronutrienMikronutrien berupa logam dan vitamin. Senyawa ini dibutuhkan bagi pertumbuhan mikroorganisme dalam jumlah yang sedikit. Mikronutrien ini meliputi besi (Fe2+ dan Fe 3+), zinc (Zn+), mangan (Mn2+), molybdenum (Mo2+), cobalt (Co2+), tembaga (Cu2+) dan kalsium (Ca2+). Fungsi penambahan unsur tersebut adalah untuk mempercepat reaksi, sintesis vitamin dan transportasi pada dinding sel. (Adejumo, 2011)Makronutrien terdiri dari sumber C, H, N, S, P, Mg. Senyawa ini merupakan unsur penting yang dibutuhkan dalam jumlah banyak oleh mikroorganisme untuk metabolism dan untuk menghasilkan produk. Makronutrien ini dapat berasal dari air, gula, lemak, asam amino, garam, dan mineral.a. Sumber KarbonKarbon merupakan unsur yang sangat diperlukan untuk pertumbuhan mikroorganisme, karena biomassa mengandung sekitar 50% karbon pada basis berat kering. Unsur karbon ini ditambahkan sebagai sumber energi. Karbohidrat merupakan sumber karbon, oksigen dan hydrogen yang baik bagi pertumbuhan mikroorganisme.Karbohidrat tersusun dari monomer yang disebut sebagai monosakarida. Berdasarkan jumlah monomernya, karbohidrat dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu monosakarida, disakarida dan polisakarida dan oligosakariga (Hysocc, 2013)Monosakarida merupakan tipe karbihidrat yang paling sederhana, terdiri atas atom karbon, hydrogen, dan oksigen. Contoh monosakarida adalah glukosa dan deoksiribosa (Hysocc, 2013)Disakarida tersusun atas dua monosakarida yang bergabung menjadi satu melalui sintesis dehidrasi dengan melepaskan satu atom hydrogen dan satu grup hidroksil (OH-). Atom hydrogen dan hidroksil akan bergabung dan membentuk molekul air (H-OH atau H2O. jenis disakarida yang paling dikenal adalah sukrosa atau yang biasa dikenal dengan gula tebu (Hysocc, 2013)Oligosakaida dan polisakarida merupakan gabungan dari beberapa monosakarida (sekitar 3-6 membentuk satu molekul. Monoskarida dapat bergabung membentuk satu rantai panjang atau bercabang-cabang (Hysocc, 2013)b. Sumber NitrogenSetelah karbon, unsur yang paling banyak terdapat dalam media fermentasi adalah nitrogen. Menurut Zhang et.al, (2003) ammonium nitrat dan ammonium sulfat merupakan sumber nitrogen yang paling baik, diikuti oleh yeast extract, pepton, dan kemudian urea.Sumber nitrogen pada media fermentasi dapat dibedakan menjadi 2 jenis sumber organik dan sumber anorganik. Sumber organik yaitu asam amino, protein, dan urea, corn steep liquor, yeast extract, peptone, dan soya bean sedangkan sumber anorganik yang digunakan yaitu ammonia dan garam ammonia (kampen, 2000)

2.4.3 Faktor FisikFermentasi dipengaruhi oleh beberapa faktor fisik yang dapat mempengaruhi hasil produksi, faktor fisik tersebut adalah suhu, pH dan kebutuhan oksigen. a. pHpH media fermentasi menentukan pertumbuhan mikroorganisme serta system metabolismenya. pH optimum pada proses fermentasi etanol adalah sekitar 4-4,5 hal ini dikarenakan mikroorganisme dapat hidup dan tumbuh dengan baik pada kondisi pH tersebut. (Frazier dan Weshoft, 1978)b. SuhuSuhu merupakan faktor kunci yang mempengaruhi proses fermentasi (Boontawan, 2010). Hal ini dikarenakan suhu yang digunakan akan mempengaruhi kinerja mikroorganisme yang berperan dalam proses produksi etanol. Suhu optimum pada proses fermentasi etanol adalah 30oC (Frazier dan Weshoft, 1978)c. OksigenBerdasarkan kebutuhan kebutuhan akan oksigen mikroba dapat dibedakan yaitu mikroba yang bersifat aerobik, anaerobik dan anaerobik fakultatif. Kapang dan Khamir pada umumnya bersifat aerobik, sedangkan bakteri dapat bersifat aerobic dan anaerobic.Fermentasi etanol terjadi pada kondisi Anaerob sehingga oksigen tidak dibutuhkan. Namun jika terdapat oksigen bebas dalam prosesnya maka akan mempengaruhi kinerja mikroorganisme. Etanol yang dihasilkan akan sedikit atau bahkan tidak akan menghasilkan etanol. Bakteri yang bersifat aerobik mempunyai enzim-enzim yaitu superoksida dismutase yang memecah radikal bebas tersebut, dan enzim katalase yang memecah H2O2 sehingga menghasilkan senyawa akhir yang tidak beracun. Bakteri yang bersifat anaerobic fakultatif juga mempunyai enzim superoksida dismutase, tetapi tidak mempunyai enzim katalase, melainkan mempunyai enzim peroksidae yang mengkatalis reaksi antara H2O2 dengan senyawa organik, menghasilkan senyawa yang tidak beracun. Bakteri yang bersifat anaerobic tidak mempunyai enzim superoksida dismutase maupun katalase.

2.4.4 Moda Operasi Fermentasi EtanolBerdasarkan proses pengumpanan substrat dan pengambilan produk proses fermentasi dibedakan menjadi 3 moda operasi, yaitu batch, fed-batch dan kontinyu. a. Fermentasi batchProses Fermentasi Batch merupakan proses fermentasi dengen sistem tertutup. Fermentasi dalam proses batch dilakukan dengan cara memasukan media dan inokulum secara bersamaan ke dalam bioreactor dan pengambilan produk dilakukan pada akhir fermentasi. (Rusmana, 2013) Selama proses fermentasi substrat akan dikonversi menjadi produk sehingga konsentrasi substrat akan semakin menurun. Kinetika pada proses fermentasi batch diperlihatkan oleh Gambar.

Gambar.Bioreaktor tipe batchmemiliki keuntungan yaitu dapat memudahkan dalam pengendaliannya. Disamping kelebihan tersebut, kekurangan dari tipe batch yaitu produktivitas etanol yang rendah. Rendahnya produktivitas etanol karena pada kondisi tertentu etanol yang dihasilkan akan menjadiinhibitor yang akan meracuni mikroorganisme sehingga mengurangi kinerja dan aktivitasnya. Seperti yang dikatakan dalam penelitian yang dilakukan oleh Minier dan Goma (1982) dalam Hakim (2010), bahwa fermentasi cara ini mempunyai kendala konsentrasi etanol yang dihasilkan rendah karena terjadi inhbisi produk atau berlebihnya produksi etanol yang terakumulasi dan meracuni mikroorganisme pada proses fermentasi. Adanya inhibisi produk dapat menurunkan bahkan menghentikan pertumbuhan serta produksi dari mikroorganisme. b. Fermentasi Fed-BatchSistemfed-batchadalah suatu sistem yang rnenambahkan substrat secara teratur pada kultur tertutup, tanpa mengeluarkan cairan kultur yang ada di dalamfermentorsehingga volume kultur makin lama makin bertambah (Darmawan & Widjaja, 2008). Fermentasifed-batch merupakan pengembangan dari sistem batch, adanya penambahan substrat baru yang ditambahkan dan tidak ada kultur yang keluar akan menyebabkan yield lebih tinggi dari fermentasi batch dan menghindari terjadinya akumulasi produk berlebih yang akan mengakibatkan inhibisi produk (Bambang, 2010). Kinetika pada proses fed-batch diperlihatkan pada Gambar II

Gambarc. Fermentasi Kontinyu Pada sistem Kontinyu, pengaliran subtrat dan pengambilan produk dilakukan secara terus menerus (sinambung) setiap saat setelah diperoleh konsentrasi produk maksimal atau mencapai konsentrasi yang hampir tetap. (Rusmana, 2013) Dalam hal ini subtrat dan inokulum dapat ditambahkan bersama secara terus menerus sehingga fase eksponensialdapat diperpanjang. Kinetika pada proses kontinyu diperlihatkan pada Gambar II

Gambar..Terdapat dua tipe sistem dalam fermentasi kontinyu yaitu Homogenously mixed bioreactor dan plug flow reaktor. Homogenously mixed bioreactor adalah bioreaktor berpengaduk dimana terjadi agitasi/ pengadukan dalam reaktor sehingga konsentrasi produk setiap titik dalam reaktor sama dengan aliran keluarnya. Berdasarkan skema prosesnya, homogenously mixed bioreactor dibagi menjadi dua jenis yaitu Chemostat dan Turbidostat. Chemostat merupakan bioreaktor tanpa adanya pendaur ulangan, sehingga laju pertumbuhan sel dalam reaktor dapat dipertahankan pada kondisi stasioner. Sedangkan Turbidostat merupakan bioreaktor dengan pendaur ulangan dimana laju pertumbuhan sel sulit untuk dikontrol karena adanya akumulasi biomassa yang terbawa oleh aliran daur ulang kedalam bioreaktor. Homogenously mixed bioreactor ditunjukkan pada gambar.

Gambar.. Homogenously mixed bioreactor ; (a) Chemostat (b) Turbidostat

Plug flow bioreactor adalah reaktor berbentuk pipa tabung dimana proses fermentasi terjadi pada saat substrat mengalir dalam aliran pipa tabung tersebut sehingga konsentrasi produk pada setiap titik dalam reaktor dan keluaran akan berbeda. Pada jenis reaktor ini, sel dibuat tetap berada reaktor sehingga biomassa tidak terbawa dalam aliran keluaran. Plug flow bioreactor ditunjukkan pada gambar..

Gambar.. Plug flow bioreactor ..Sumber rusmana

Pada fermentasi secarakontinyu untuk fermentasi etanol memiliki kelebihan yaitu produktivitas etanol yang stabil karena pada kondisi ini tidak akan terjadi inhibisi produk sehingga konsentrasi keluaran produk akan seragam. Lama proses pada fermentasi kontinyu ini sulit untuk ditambah ataupun dikurangi karena akan mempengaruhi variabel lainnya. Misalnya laju alir umpan yang harus diperkecil untuk menambah waktu tinggal substrat dalam kolom. Selain itu juga fermentasi kontinyu memiliki kekurangan lain yaitu biaya instalasinya yang cukup tinggi sehingga masih jarang digunakan.2.5 Pembentukan Produk FermentasiPembentukan produk mikrobial pada proses fermentasi dapat diklasifikasikan kedalam tiga pola (Shuler & Kargi, 1992), diantaranya :a. Pola pembentukan produk berasosiasi dengan pertumbuhan sel. Pada pola ini, laju pertumbuhan sel berbanding proporsional dengan laju pembentukan produk.b. Pola pembentukan produk tidak berasosiasi dengan pertumbuhan sel. Pola ini, pembentukan produk berlangsung selama fase stasioner (akhir fase eksponensial) dari mikroorganisme ketika laju pertumbuhan nol sehingga tidak akan ada lagi sel yang tumbuh. Laju pembentukan produk pada pola ini adalah konstan, berbanding proporsional dengan konsentasi sel.c. Pola campuran, yaitu pola pembentukan produk berasosiasi dan tidak berasosiasi dengan pertumbuhan sel. Pada pola ini, laju pembentukan produk berbanding proporsional dengan konsentrasi sel ataupun dengan laju pertumbuhan.Pola pembentukan produk ditunjukan pada Gambar II.7

Gambar II.7 Pola Pembentukan Produk (a) Pola Pertumbuhan Berasosiasi dengan Pembentukan Produk, (b) Pola Campuran, (c) Pola Pertumbuhan Tidak Berasosiasi dengan Pembentukan Produk (Shuler & Kargi, 1992)

Fermentasi etanol termasuk kedalam pola pembentukan produk tidak berasosiasi dengan pertumbuhan sel. Pembentukan produk berlangsung pada fase stasioner, sebagai sumber karbon, substrat pada fermentasi etanol digunakan juga untuk pembentukan produk dan biomassa sel, energi untuk pertumbuhan serta energi untuk proses maintenance/ perawatan sel.Selama proses berlangung perolehan produk terhadap susbstrat pada fermentasi etanol dapat ditunjukan dengan persamaan :Keterangan :Yp/s: Perolehan produk terhadap substratSo: konsentrasi substrat saat t0Pt: konsentrasi produk saat t hasil penelitianSt : konsentrasi substrat saat tPo : konsentrasi produk saat t0

Yp/s = (1)Yp/s = (2)Yp/s = (3)

BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

3.1 Alat dan BahanPeralatan yang digunakan pada penelitian ini meliputi peralatan untuk proses fermentasi batch dan kontinyu serta peralatan untuk analisis. Proses fermentasi batch menggunakan Erlenmeyer 250 ml dengan volume media total (substrat + beads) 250 ml yang disimpan dalam inkubator shaker pada suhu ruang 30oC dan putaran 110 rpm. Rangkaian peralatan untuk proses fermentasi batch ditunjukan pada Gambar III.1.

Gambar III.1 Rangkaian Fermentasi Batch

Proses fermentasi kontinyu menggunakan Packer Bed Bioreactor dengan volume substrat pada umpan 500 ml dan beads dalam reaktor 350 ml. Proses ini dilakukan pada suhu ruang 30oC. Rangkaian peralatan untuk proses fermentasi kontinyu ditunjukan pada Gambar III.2.Keterangan :1. Tangki Umpan2. Tangki Produk3. Pompa4. Tangki CO25. Packed Bed Bioreactor6. Recycle

Gambar III.2 Rangkaian Fermentasi Kontinyu

Peralatan untuk analisa yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari refraktometer dan spektrofotometer. Refraktometer digunakan untuk mendapatkan nilai konsentrasi produk melalui analisa indeks bia, sedangkan spektrofometer digunakan untuk mendapatkan nilai konsentrasi gula terduksi melalui analisa panjang gelombang dengan reagen DNS.Bahan yang digunakan pada penelitian meliputi : Mikroorganisme Saccharomyces Cerevisiae Media padat GYEA untuk penyimpanan kultur induk dan kultur kerja Media aktivasi GYE sebagai media untuk inokulasi Media produksi larutan sukrosa 10% Media produksi filtrat nanas Reagen DNS untuk analisis gula reduksiDaftar kebutuhan alat dan bahan secara rinci ditunjukan dalam Lampiran .3.2 Tahapan Pelaksanaan PenelitianTahapan pelaksanaan penelitian ini meliputi tahap persiapan bahan dan alat, percobaan awal (fermentasi batch), fermentasi kontinyu, analisis produk, dan pengolahan data. Diagram alit tahap pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada Gambar III.3Persiapan Bahan dan AlatPercobaan awal : Proses Fermentasi Batch

ProsesFermentasi Kontinyu

MulaiSelesai Filtrat nanas Sel immobilisasi Sterilisasi alat Perangkain raktorAnalisis produk

Waktu reaksi optimum Variasi rasio filtrat nanas terhadap sukrosa. Variasi waktu tinggal ()Pengolahan data

Kadar gula reduksi Konnsentrasi bioetanol

Perhitungan Yieldbioethanol Rasio saubstratoptimum Waktu tinggal ()optimum

Gambar III.3 Diagram alir penelitian

3.2.1 Tahap Persiapan Bahan dan AlatTahap persiapan bahan meliputi pengolahan buah nanas untuk menghasilkan filtrat nanas yang akan digunakan pada proses fermentasi kontinyu serta proses immobilisasi Saccharomyces Cerevisae menggunakan Ca-Alginat. Persiapan alat meliputi penyiapan alat yang akan digunakan untuk proses fermentasi, sterilisasi alat dan perangkaian reaktor untuk fermentasi kontinyu.

3.2.1.1 Pembuatan Filtrat NanasTahapan Pembuatan filtrat nanas diawali dengan mengupas buah nanas sebanyak 30 buah. Buah nanas tersebut kemudian dihaluskan dengan menggunakan blender lalu dipisahkan antara filtrate dengan ampasnya menggunakan kain kasa, setelah itu maka dihasilkanlah filtrate sebanyak 10.5 Liter. Filtrat yang diperoleh selanjutnya disterilkan pada suhu 121oC selama 15 menit. Sterilisasi bertujuan untuk menghilangkan mikroba lain yang dapat mengganggu pada proses fermentasi. Diagram alir pembuatan filtrat nanas ditunjukan pada Gambar III.4

Gambar III.4 Pembuatan Filtrat Nanas

3.2.1.2 Pembuatan Sel AmmobilPembuatan sel ammobil meliputi beberapa tahapan yaitu tahap aktivasi mikroorganisme, pembuatan inokulum, dan pembuatan beads.a. Aktivasi MikroorganismeProses aktivasi mikroorganisme dimulai dengan membuat larutan GYEA yang terdiri atas 0.8 gr pepton, 0.4 gr yeast extract, 1.6 gr glukosa dan 1.44 gr agar dalam 80 ml aquades, kemudian dipanaskan sampai mendidih supaya semua agar melarut. Larutan tersebut kemudian dimasukkan ke tabung reaksi masing masing 5 ml. Selanjutnya, mulut tabung reaksi ditutup dengan kapas dan disterilisasi dalam autoclave pada suhu 121oC selama 15 menit. Setelah disterilisasi, tabung reaksi didinginkan dalam posisi miring hingga agar mengeras. Setelah agar mengeras, kultur induk diambil dari incase dengan kawat ose steril. Kemudian kawat ose tersebut digoreskan pada permukaan media agar miring secara perlahan lalu tabung ditutup dengan kapas. Setelah itu kultur kerja di inkubasi pada suhu 30oC selama 3 hari. Tahapan aktivasi mikroorganisme dapat dijelaskan pada Gambar III.5

Gambar III.5 Aktivasi Mikroorganisme

b. Pembuatan InokulumPembuatan inokulum dimulai dengan membuat larutan GYE yang terdiri atas 0.5 gr pepton, 0.25 gr yeast extraxt dan 1 gr glukosa dalam 50 ml aquadest. Selanjutnya larutan GYE disterilisasi pada suhu 121oC selama 15 menit. Larutan GYE yang telah steril kemudian ditanami kultur kerja, penanaman kultur kerja dilakukan secara aseptis dan didalam Erlenmeyer 100 ml. Setelah ditanami, larutan GYE atau inokulum di inkubasi dalam incubator shaker dengan kondisi suhu 30oC, putaran 110 rpm dan waktu 48 jam. Penggunaan waktu inkubasi 48 jam didasari oleh penelitian dari yang telah dibahas di tinjauan pustaka. Proses pembuatan inokulum dilakukan secara aseptis. Tahapan aktivasi mikroorganisme dapat dijelaskan pada Gambar III.6

Gambar III.6 Pembuatan Inokulum

c. Pembuatan BeadsPembuatan beads diawali dengan membuat 50 ml larutan alginat 4% dengan komposisi 2 gr Na-Alginat dalam 50 ml aquadest lalu dipanaskan dengan penangas air pada suhu 80oC selama 15 menit. Selanjutnya larutan alginate didinginkan hingga mencapai suhu 40oC, setelah itu larutan dicampurkan dengan 50 ml inokulum. Campuran tersebut dicetak menjadi beads dengan cara dimasukan kedalam larutan CaCl2 2% melalui syringe sehingga berbentuk bulatan bulatan kecil. Tahapan pembuatan beads dijelaskan pada Gambar III.7.

Gambar III.7 Pembuatan Beads

3.2.2 Tahap Percobaan AwalTahap percobaan awal merupakan fermentasi etanol secara batch, tujuan dari percobaan awal untuk mendapatkan waktu reaksi optimum yang akan digunakan pada proses fermentasi secara kontinyu. Fermentasi etanol secara batch dilakukan dalam inkubator shaker pada suhu 36oC, putaran 110 rpm dan pH 4,5 selama 56 jam. Tahap fermentasi batch dimulai dengan membuat larutan sukrosa 10% sebagai media fermentasi. Larutan sukrosa 10% dibuat dengan komposisi terdiri atas 20 gr Sukrosa, 0.4 gr KH2PO4, 0.8 (NH4)SO4, dan MgSO4.7H2O dalam 400 ml aquadest, pembuatan larutan sukrosa dilakukan pada Erlenmeyer 250 ml. Selanjutnya larutan tersebut disterilisasi pada suhu 121oC selama 15 menit. Setelah media fermentasi siap, kemudian dimasukkan sel ammobil kedalamnya. Setelah itu dilakukan pengaturan pH hingga mencapai 4.5 dengan cara menambahkan larutan H2SO4 5%. Selanjutnya media yang telah siap dimasukkan ke dalam inkubator shaker dengan kondisi operasi adalah suhu 30oC, putaran 110 rpm dan waktu 56 jam. Sebelum dimasukkan ke dalam inkubator shaker dilakukan purging pada reaktor dengan tujuan untuk mengihilangkan oksigen. Pengambilan sampel pada proses batch dilakukan setiap 4 jam/sample, dimulai dari t0 sampai dengan t56. Tahapan fermentasi batch dijelaskan pada Gambar III.8

Gambar III.8 Fermentasi Batch

3.2.3 Tahap Fermentasi KontinyuProses fermentasi kontinyu menggunakan sel ammobil dilakukan dalam bioreaktor packed-bed. Variasi yang digunakan terdiri atas rasio filtrat nanas terhadap sukrosa dan waktu tinggal . Tahapan dalam fermentasi kontinyu terdiri atas penentuan porositas reaktor, kalibrasi laju alir, penentuan siklus dan proses fermentasi kontinyu.a. Penentuan Porositas ReaktorPenentuan porositas reaktor dilakukan untuk mendapatkan jumlah volume substrat yang dapat mengisi kekosongan ruang diantara beads dalam reaktor. Volume tersebut dibutuhkan untuk mengetahui jumlah substrat yang digunakan dalam setiap kalo percobaan. Penghitungan porositas dapat dijelaskan melaui persamaan : = Vtotal Vbeads dalam reaktor(1)Tahapan penentuan porositas dimulai dengan mengisi reaktor dengan larutan CaCl2 2% hingga memenuhi 45 cm tinggi reaktor. Setelah reaktor terisi dimasukan 350 ml beads hingga cairan mencapai 73 cm ketinggian reaktor. Untuk mendapatkan nilai porositas maka larutan yang berada didalam reaktor dikeluarkan melalui valve bagian bawah lalu ditampung oleh gelas kimia. Selanjutnya larutan yang ditampung diukur oleh gelas ukur agar lebih presisi. Larutan yang diukur tersebut merupakan nilai volume substrat yang dibutuhkan dalam percobaan.b. Kalibrasi Laju AlirKalibrasi laju alir dilakukan untuk menentukan laju pompa yang digunakan untuk fermentasi kontinyu. Kalibrasi laju alir dimulai dengan mengalirkan caairan kedalam reaktor dan menampung keluarannya. Ukur volume cairan yang keluar selama 1 menit hingga didapatkan nilai dengan satuan milliliter per menit (ml/menit). Lakukan kalibrasi tersebut pada setiap laju alir pompa hingga didapatkan laju alir yang diinginkan.c. Penentuan Siklus FermentasiPenentuan siklus fermentasi dilakukan untuk mendapatkan jumlah siklus yang dilakukan pada saat fermentasi kontinyu. Siklus tersebut dibutuhkan untuk mencapai waktu tinggal yang dibutuhkan dengan laju alir yang telah ditentukan. Penentuan siklus dimulai dari menentukan lama cairan umpan yang dapat mengalir melewati porositas reaktor. Selanjutnya dapat dijelaskan dalam persamaan :

Jumlah Siklus = (4)

Jumlah siklus yang didapatkan digunakan untuk menentukan waktu operasi pada fermentasi kontinyu untuk mencapai waktu tinggal yang diinginkan dengan cara mengetahui seberapa lama volume umpan sebanyak 500 ml dapat habis mengalir melewati reaktor. Waktu operasi fermentasi dapat ditentukan dengan persamaan berikut :

Waktu Operasi = d. Proses Fermentasi KontinyuPurging, cara mengalirkan substrat ( masukkin dulu cacl terus keluarkan), 3.2.4 Tahap Analisis Hasil Metode yang digunakan dalam analisa . Kadar sisa gula tereduksi dianalisis dengan spektrofotometer menggunakan reagen DNS, sedangkan konsentrasi etanol yang dihasilkan dianalisis dengan menggunakan refraktometer.3.2.5 Tahap Pengolahan DataData data yang diperoleh selama percobaan disajikan dalam bentuk kurva dan tabel sehingga dapat diketahui nilai rasio filtrat terhadap sukrosa optimum dan waktu tinggal optimum pada proses fermentasi kontinyu. Selain itu dilakukan perhitungan yield dari bioethanol yang dihasilkan.Pelaksanaan Penelitian menjelaskan mengenai tahapan penelitian yang meliputi tahap pembuatan filtrat nanas, pembuatan sel immobilisasi, fermentasi batch, serta fermentasi kontinyu.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Proses Fermentasi BatchProses fermentasi batch dilakukan untuk mengetahui waktu reaksi optimum yang akan digunakan sebagai waktu tinggal pada proses fermentasi kontinyu. Hasil dari proses fermentasi batch dapat dilihat pada Gambar IV.1.

Gambar. IV.1 Kadar Etanol (%) Terhadap Waktu Fermentasi (Jam) Pada Konsentrasi Sukrosa 10 %

Selama proses fermentasi etanol berlangsung, konsentrasi etanol meningkat secara berkala dari jam ke- 0 sampai 24. Peningkatan konsentrasi etanol disebabkan karena adanya peningkatan aktivitas metabolit dari sel Saccharomyces Cerevisiae. Peningkatan konsentrasi etanol mulai terhenti saat jam ke- 24 hingga selanjutnya mengalami kondisi yang steady state sampai jam ke- 28. Setelah jam ke- 28 terjadi penunrunan konsentrasi etanol, hal tersebut disebabkan karena terjadinya akumulasi produk/inhibisi produk. Akumulasi produk menyebabkan menurunnya secara perlahan lahan aktivitas metabolisme dari Saccharomyces Cerevisiae, penurunan aktivitas metabolisme tersebut berdampak pada menurunnya produksi etanol. Guna menanggulangi masalah tersebut digunakan proses fermentasi kontinyu dengan menggunakan waktu tinggal yang berdasarkan pada waktu reaksi optimum proses batch.4.2 Proses Fermentasi KontinyuPada proses fermentasi kontinyu terdapat dua variabel yang divariasikan yaitu variasi substrat dan waktu tinggal.4.2.1 Pengaruh Variasi Rasio Campuran Substrat Terhadap Bioethanol Yang DihasilkanVariasi rasio campuran volume substrat dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh perbedaan perbandingan volume yang digunakan terhadap bioethanol yang dihasilkan. Hasil dari variasi tersebut dapat dilihat pada Gambar IV.2.

Gambar IV.2 Diagram Konsentrasi Etanol pada Variasi Rasio Substrat

Dari hasil percobaan diketahui bahwa konsentrasi etanol dari susbstrat yang memiliki rasio antara nanas dan gula, 500 : 0 memiliki hasil yang lebih besar dibandingkan dengan rasio campuran substrat lainnya, yaitu mencapai 7%. Hal tersebut disebabkan karena pada substrat dengan rasio 500 : 0 (nanas murni), sumber karbon yang terkonversi menjadi bioetanol bukan hanya berasal dari glukosa. Adanya senyawa seperti serat dan karbohidrat menyebabkan hasil konsentrasi etanol yang dihasilkan lebih besar. Selain hal tersebut, adanya senyawa seperti vitamin A, C, magnesium, dan fosfor dapat menyebabkan peningkatan hasil produksi dikarenakan senyawa senyawa tersebut dapat meningkatkan aktivitas metabolisme dari sel. Grafik perubahan konsentrasi etanol pada masing - masing rasio dapat dilihat pada Gambar IV.3

Gambar IV.3 Grafik Perubahan Konsentrasi Etanol (%) Terhadap Waktu Tinggal (jam)

Grafik perubahan konsentrasi etanol terhadap waktu menunjukkan bahwa selama proses fermentasi etanol berlangsung, konsentrasi etanol mengalami peningkatan secara berkala pada masing masing rasio. Pada waktu waktu ke- 8,95 jam sampai ke- 11,02 jam terjadi kenaikan cukup tinggi yang disebabkan peningkatan akitivitas metabolit sel Saccharomyces Cerevisiae. Peningkatan konsentrasi etanol terus berlangsung hingga waktu tinggal yang ditentukan. Setelah mencapai waktu tinggal konsentrasi etanol cenderung konstan, hal tersebut disebabkan oleh berkurangnya jumlah substrat untuk dikonversi. Hubungan antara perubahan konsentrasi produk dan substrat ditunjukkan oleh gambar IV.4.(a)(b)(c)

Gambar IV.4 Grafik Hubungan Antara Perubahan Konsentrasi Substrat dan Produk (a) rasio substrat 1, (b) rasio substrat 2, (c) rasio substrat 3 Hubungan antara konsentrasi substrat dengan produk dapat ditunjukkan melalui yield yang dihasilkan. Susbstrat yang memiliki rasio antara nanas dan gula, 500 : 0 memiliki yield yang lebih besar dibandingkan dengan rasio campuran substrat lainnya, yaitu mencapai 94,64 %. Hal ini disebabkan karena pada rasio tersebut konversi substrat lebih besar. Konversi tersebut disebabkan oleh adanya senyawa pendukung dalam aktivitas metabolit sel seperti magnesium dan fosfor. 4.2.2 Pengaruh Variasi Waktu Tinggal Terhadap Bioethanol Yang DihasilkanVariasi waktu tinggal dilakukan untuk mendapatkan waktu tinggal optimum dalam aktivitas metabolism sel Saccharomyces Cerevisiae untuk memproduksi bioetanol. Hasil dari variasi waktu tinggal dapat dilihat pada Gambar IV.5

Gambar IV.5 Diagram Konsentrasi Etanol pada Variasi Waktu Tinggal

Gambar IV.6 Konsentrasi Etanol (jam) Terhadap Waktu (jam)

(a)(b)(c)

Gambar IV.7 Grafik Hubungan Antara Perubahan Konsentrasi Substrat dan Produk (a) Waktu Tinggal 20 Jam, (b) Waktu Tinggal 25 Jam, (c) Waktu Tinggal 28 Jam

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KesimpulanDari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan, bahwa :a. Waktu reaksi optimum untuk proses fermentasi berlangsung pada 20 28 jam.b. Rasio filtrate nanas terhadap sukrosa berpengaruh terhadap bioethanol yang dihasilkan, semakin murni filtrat nanas yang digunakan maka bioethanol yang dihasilkan semakin tinggi.c. Waktu tinggal optimum proses fermentasi kontinyu adalah 20 jam dengan menghasilkan yield dan kadar bioethanol masing masing sebesar 94,64 % dan 7 % (v/v).5.2 SaranPada penelitian ini ada beberapa saran yang penulisan ajukan, yaitu :a. Diperlukan

DAFTAR PUSTAKA

Kementrian Riset dan Teknologi Republik Indonesia. (2012). Retrieved Januari 13, 2013, from Pemanfaatan Bioetanol Untuk Kebutuhan Energi Indonesia: http://www.ristek.go.id/index.php/module/News+News/id/10973Adejumo. (2011). Cassava Starch : Production, Physicochemical Properties and Hydrolysation. Retrieved from http://www.woaj.orgAS, M., Widjaja, T., & Altway, A. (2009). PRODUKTIVITAS ETANOL PROSES FERMENTASI KONTINYU DENGAN ZYMOMONAS MOBILIS TEKNIK IMMOBILISASI SEL Ca-ALGINAT DAN K-KARAGINAN DI BIOREAKTOR PACKED BED. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November .Asga, P. (2006). Produksi Etanol Menggunakan Saccharomyces Cerevisiae Yang Diamobilisasi Dengan Agar Batang. Akta Kimia Indonesia, 110-111.BPPIPT. (2000). Nanas. Jakarta: Mengristek.BPS. (2013). Produksi buah-buahan menurut provinsi. Retrieved January 16, 2015, from Badan Pusat Statistika: www.bps.go.idBrodelius, P. (1985). Enzymes and Immobilized Cell in Biotechnology. London: Commings Publishing.BSN. (2008). Bioetanol Terdenaturasi untk gasohol. Jakarta Pusat: Badan Standarisasi Nasional.BVBA, A. O. (n.d.). Material safety Data Sheet Starch. Belgium: Across Organics BVBA.Cardona, C. A. (2007). Fuel ethanol production : Process design trends and integration opportunities. Bioseresour Technol.Chaplin, M. (2014). Water Structure and Science. Retrieved Januari 17, 2014, from http://www1.lsbu.ac.uk/water/hycel.htmlDalimartha, d. S., & Adrian, d. F. (2013). Fakta Ilmiah Buah & Sayur. Jakarta Timur: Penebar Plus.Darmawan, R., & Widjaja, T. (2008). PENINGKATAN PRODUKTIVITAS ETANOL DARI MOLASES DENGAN TEKNIK IMMOBILISASI DI BIOREAKTOR PACKED - BED. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November.Dewi, W. (2006). Screening of Ethanol Tolerant Yeast of Saccharomyces cerevisiae. 411-412.Escobar, L. A., Alvarez, U., & Peneuela, M. (2012). CONTINUES PRODUCTION OF ETHANOL IN PACKED BED BIOREACTORS WITH IMMOBILIZED YEAST CELLS ON LIGNOCELLULOSIC WASTE. Colombia: Universidad de Antioquia.ESDM, D. (2006). ESDM. Retrieved Januari 2, 2015, from ESDM: www.esdm.go.idESDM, D. (2006, Juni 25). ESDM. Retrieved Januari 2, 2015, from ESDM: www.esdm.go.idEuis Hermiati, D. M. (2010). Pemanfaatan Biomassa Lignoselulosa Ampas Tebu Untuk Produksi Bioetanol.Fardiaz. (1992). Mikrobiologi Pangan. Jakarta: Gramedia Pusaka Utama.Gozan, M. (2014). TEKNOLOGI BIOETANOL GENERASI KEDUA. Jakarta: Erlangga.HoltZapple, M. T. (1993). Cellulose In Enclycopedia of Food Science Food Technolgy and Nutrien.Institute, R. P. (n.y). Carier Binding. Retrieved Januari 2, 2015, from Rensselaer: www.rpi.eduIpak, & dkk. (2012). Cara Berkembang Biak Bakteri. Agarillus, 1.Isroi. (2008). Karakteristik Lignoselulosa sebagai Bahan Baku Bioetanol. Retrieved Januari 17, 2014, from http://isroi.com/2008/05/01/karakteristik-lignoselulosa-sebagai-bahan-baku-bioetanol/Juwita, R. (2012). Studi Produksi Alkohol Dari Tetes Tebu. Skripsi, 15.kampen, w. (2000). Nutritional Requirement in Fermentation Processes. Retrieved from http://200.19.144.11/luis/Books/E-Books/Engineering/Fermentation And Biochemical Engineering Handbook/14077_03.pdfKita, Z. B. (2013). Biologi Kelas XII: Metabolisme. Retrieved from Zona Biologi Kita Web Site: http://zonabiokita.blogspot.com/machrus. (2006). Bioethanol Production. Retrieved from academia: http://www.academia.edu/Maulana, P. (2012, Desember 25). Perpustakaan Cyber. Retrieved from Sacharomyces Cerevisae: http://perpustakaancyber.blogspot.com/Mousdale, D. M. (2008). Biofuels Biotechnology, Chemistry, and Sustainable Development. London: CRC Press.Munif. (2012). home: Kesehatan Lingkungan. Retrieved from Environmental Sanitations Web site: environmentalsanitation.wordpress.comPetani, B. (2013). nanas. Retrieved from Budidaya Petani Web Site: http://budidaya-petani.blogspot.comPrentis, S. (1990). Bioteknologi. (M. Thenawidjaya, Trans.) Jakarta: Erlangga.Puspitasari, N. (2009). Pengaruh Jenis Vitamin B dan Sumber Nitrogen dalam Peningkatan Kandungan Protein Kulit Ubi Kayu Melalui Proses Fermentasi. Semarang: Undip Press.Putra, S. (2006). Produksi Etanol Menggunakan Saccharomyces Cerevisiae. 111.renny. (2012). 4 Jalur Fermentasi Glukosa. Retrieved from Reniwija: http://rennywija.blogspot.com/Restmac. (2006). Bioethanol Production and Use. Creating Marketers for Renewable Energy Technologies EU RES Technology Marketing Campaign, 4.Riezz. (2008). Solid State Fermentation and Submerged Fermentation. Retrieved from Riezzs blog: https://riezz.wordpress.com/Rusmana, I. (2013). Proses Fermentasi. Bogor: IPB.Scientific, V. G. (2004). Material Safety Data Sheet Ethanol Absolut. Kirkland: Vee Gee Scientific.,Inc.Shuler, M. L., & Kargi, F. (1992). Bioprocess Engineering Basic Concept. New Jersey: Prentice-hall Inc.Sun, Y., & Cheng, J. (2005). Dilute Acid Pretreatment of Rye Straw and Bermuda Grass for Ethanol Production.suprihatin. (2010). teknologi fermentasi. surabaya: unesa press.Yani, D. A., & Widianti, Y. (2013). Pengaruh Substrat Tepung Tapioka dan Konsentrasi Inokulum pada Fermentasi asam Laktat menggunakan Lactobacillus Acidophilus. Bandung Barat: Politeknik Negeri Bandung.

LAMPIRAN