2. TINJAUAN PUSTAKA 1 Ubi Kayu ( Manihot utilissima ) 1 Ubi Kayu (Manihot utilissima)
2.5 Hidrolisis Asam
Hidrolisis menggunakan asam telah dikembangkan di Jerman sejak awal abad 19. Asam yang paling banyak digunakan adalah jenis asam sulfat encer. Bahan ini digunakan karena murah. Selain asam sulfat sering juga digunakan asam oksalat dan asam asetat. Perlakuan asam sulfat encer dapat digunakan dengan baik untuk bahan-bahan hasil pertanian, seperti tongkol jagung dan jerami padi atau gandum. Asam dapat memecah hemiselulosa yang merupakan bahan yang bersifat rekalsitran (sulit
terurai) dalam hidrolisis. Hidrolisat asam dapat digunakan sebagai substrat utama
produksi bioetanol. Hal ini disebabkan karena hidrolisat asam mengandung glukosa. Glukosa dapat digunakan sebagai sumber energi dan sumber karbon untuk membentuk material penyusun sel baru (Voet dan Voet 2004). Hidrolisis asam dapat menggunakan berbagai macam katalis asam pada berbagai macam konsentrasinya.
Umumnya asam yang digunakan adalah H2SO4 atau HCl (Mussatto dan Roberto,
2004) dengan konsentrasi berkisar antara 2-5% (Iranmahboob et al. 2002; Sun dan
Cheng 2002) dan suhu reaksi ± 160oC. Asam sulfat encer (1% atau pH 1,5) dan suhu
180-190oC digunakan untuk menghidrolisis tongkol jagung skala pilot. Waktu
11
xylosa dihidrolisis menjadi monomernya, 15% xilan menjadi furfural dan 15% sisanya hilang selama hidrolisis (Zhu et al. 2004).
Gambar 1. Komposisi serat dalam batang barley dan senyawa inhibitor turunannya Sumber: Almeida et al.(2007)
Hidrolisis asam digunakan pada bahan-bahan yang berlignoselulosa karena lebih dapat memecah hemiselulosa dan selulosa menjadi bahan bergula. Metode ini memiliki kelemahan yaitu membentuk furfural dan senyawa inhibitor lainnya yang dapat menghambat porses fermentasi (Taherzadeh dan Karimi 2007). Komponen toksik yang teridentifikasi berjumlah lebih dari tiga puluh lima senyawa. Komponen ini terbagi atas tiga kelompok utama (Gambar 1) yaitu kelompok asam-asam organik (asam asetat, format dan levulinat), turunan furan (furfural dan 5-hidroksimetilfurfural), dan komponen-komponen fenolik (Luo et al. 2002).
2.6 Fermentasi
Proses fermentasi adalah proses pembebasan energi tanpa adanya oksigen, nama lainnya adalah respirasi anaerob. Dari hasil akhirnya, fermentasi dibedakan menjadi
fermentasi asam laktatdan fermentasi alkohol. Pada beberapa mikroba pembebasan
energi dapat terjadi karena asam piruvat diubah menjadi asam asetat dan CO2
mannosa abu (0-2%) selulosa (33-51%) hemiselulosa (19-341%) lignin (21-32%) zat extraktif lain (1-5%) glukosa HMF asam levulinat asam format
furan asam lemah
galaktosa rhamnosa
xilosa arabinosa furfural
asam asetat fenol
selanjutanya asam asetat diubah menjadi alkohol. Dalam fermentasi alkohol, 1 molekul glukosa hanya dapat menghasilkan 2 molekul ATP. Jumlah ATP yang dihasilkan lebih kecil dari respirasi aerob. Pada respirasi aerob 1 molekul glukosa mampu menghasilkan 38 molekul ATP. Reaksi biokimia fermentasi bervariasi tergantung jenis gula yang digunakan dan produk yang dihasilkan. Tahap akhir dari
fermentasi adalah konversi piruvat ke produk fermentasi akhir. Tahap ini tidak
menghasilkan energi tetapi sangat penting bagi sel anaerobik karena tahap ini
meregenerasi nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), yang diperlukan untuk
glikolisis.
Reaksinya :
1. Gula (C6H12O6) ————> asam piruvat (glikolisis) + ATP 2. Dekarboksilasi asam piruvat.
Asam piruvat————————————————————>asetaldehid + CO2.
piruvat dekarboksilase (CH3CHO)
3. Asetaldehid oleh alkohol dihidrogenase diubah menjadi etanol. 2 CH3CHO + 2 NADH2————————> 2 C2H5OH + 2 NAD. alcohol dehidrogenase enzim
Secara singkat, glukosa (C6H12O6) yang merupakan gula paling sederhana,
melalui fermentasi akan menghasilkan etanol (2C2H5OH). Reaksi fermentasi ini
dilakukan oleh khamir seperti S. cerevisiae, yang bersifat fakultatif anaerobik. Pada kondisi aerobik oksigen digunakan sebagai akseptor elektron terakhir pada jalur reaksi bioenergetik. Pemanfaatan oksigen pada keadaan ini menghasilkan penambahan biomassa sel dengan persamaan reaksi sebagai berikut:
Biomassa sel + C6H12O6 Æ CO2 + H2O + biomassa sel
Pada kondisi anaerobik di jalur reaksi bioenergetik, S cerevisiae menggunakan senyawa organik sebagai akseptor elektron terakhir. Glukosa digunakan sebagai substrat dengan hasil akhir berupa alkohol, CO2, aldehid dan asam organik. Reaksi yang berlangsung dalam keadaan anaerobik tersebut adalah sebagai berikut:
13
Proses pertumbuhan mikroba sangat dinamik dan kinetikanya dapat digunakan untuk meramal produksi biomassa dalam suatu proses fermentasi. Faktor utama yang mempengaruhi pertumbuhan dan perilaku mikroba dapat digolongan dalam faktor intraseluler dan faktor ekstraselular. Faktor intraselular meliputi struktur, mekanisme, metabolisme, dan genetika. Sedangkan faktor ekstraselular meliputi kondisi lingkungan seperti pH, suhu, tekanan (Hidayat et al .2006).
Proses pertumbuhan mikroba merupakan proses yang memiliki batas tertentu. Pada saat tertentu, setelah melewati tahap minimum, mikroba akan mengalami fase kematian. Faktor-faktor yang dapat menyebabkan berhentinya pertumbuhan mikroba antara lain:
1. Penyusutan konsentrasi nutrisi yang dibutuhkan dalam pertumbuhan
mikroba karena habis terkonsumsi.
2. Produk akhir metabolisme yang menghambat pertumbuhan mikroba karena terjadinya inhibisi dan represi.
Pertumbuhan kultur mikroba umumnya dapat digambarkan dalam suatu kurva pertumbuhan. Pertumbuhan mikroba dapat terbagi dalam beberapa tahap yaitu:
1. Fase adaptasi atau fase lag. Pada fase ini mikroba menyesuaikan diri dengan lingkungan dan medium baru. Mikroba berusaha merombak materi-materi dalam medium agar dapat digunakan sebagai nutrisi untuk pertumbuhannya. Bila dalam medium ada komponen yang tidak dikenal, mikroba akan memproduksi enzim ekstraselular untuk merombak komponen tersebut. Pada fase ini juga berlangsung seleksi. Hanya mikroba yang dapat mencerna nutrisi yang dapat bertahan hidup. Fase lag bisa berlangsung lebih lama pada media yang mengandung inhibitor.
2. Fase log atau pertumbuhan dipercepat adalah fase pertumbuh dan
perkembangbiakkan mikroba dimana jumlahnya meningkat dengan cepat. Pada fase ini mikroba sudah dapat menggunakan nutrisi dalam medium fermentasinya. 3. Fase stationer adalah fase dimana laju pertumbuhan tetap yaitu pada laju
pertumbuhan maksimum (µmaks), Namun jumlah mikroba yang mati juga bertambah. Kematian ini diakibatkan oleh berkurangnya nutrien dan akumulasi senyawa toksik.
4. Fase kematian atau fase menurun adalah fase terhentinya pertumbuhan disertai meningkat jumlah mikroba yang. Pada proses fermentasi secara komersil etanol
dipanen sebelum memasuki fase ini. (Crueger dan Crueger 1984; Hidayat et al.
2006).
Gambar 2. Kurva pertumbuhan Saccharomyces cerevisiae