IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.5 Perhitungan Kinetika Fermentasi
Pertumbuhan dan pembentukan produk oleh mikroba merupakan proses biokonversi nutrisi dalam fermentasi menjadi massa sel dan atau produk metabolit lainnya (Wang et al. 1979). Yield atau rendemen biomassa (Yx/s), rendemen produk per substrat (Yp/s) dan rendemen produk per biomassa (Yp/x), P (produk), efisiensi substrat (S0-S/S0) merupakan parameter penting yang menggambarkan efisiensi konversi substrat menjadi biomassa atau produk dan biomassa menghasilkan produk. Masing-masing proses konversi dapat dikuantitatifkan oleh koefisien hasil sebagai massa sel atau hasil yang terbentuk per satuan massa nutrient yang dikonsumsi. Perbandingan peningkatan Yx/s, Yp/s, Yp/x, X, P, S0- S/S0 dari jam ke-0 sampai 72 pada sistem fed batch terekayasa stop aerasi dan aerasi dapat dilihat pada Tabel 8. Sedangkan data pendukung kinetika fermentasi yaitu nilai X, P, dan S disajikan pada Lampiran 16.
Hasil perhitungan peningkatan kinetika fermentasi dari jam ke-0 sampai jam ke-72 pada Tabel 8 menunjukkan bahwa konsentrasi substrat 20% (stop aerasi) peningkatan nilai Yx/s lebih kecil yaitu hanya 0.1894 kali dibandingkan dengan perlakuan konsentrasi substrat 20% (aerasi) yaitu sebesar 1.4 kali. Sedangkan nilai peningkatan Yp/s, Yp/x, P, S0-S/S0 lebih tinggi dibandingkan dengan perlakuan tanpa penghentian aerasi yaitu masing-masing sebesar 3.9502 kali, 20.6807 kali, 3.2883 kali dan 1.5144 kali. Nilai Yx/s menunjukkan rendemen pemakaian substrat terhadap pembentukan sel. Nilai Yx/s yang rendah menunjukkan bahwa khamir S. cerevisiae lebih memanfaatkan substrat yang ditambahkan untuk membentuk produk, hal ini dapat dilihat dari nilai kadar etanol yang dihasilkan pada akhir fermentasi lebih tinggi dibandingkan dengan perlakuan aerasi (fed batch normal). Nilai peningkatan Yp/s dan Yp/x dengan perlakuan tanpa penghentian aerasi pada konsentrasi 20% lebih rendah dibandingkan dengan perlakuan penghentian aerasi pada konsentrasi yang sama (20%). Hal ini menunjukkan bahwa substrat tidak sepenuhnya dikonversi menjadi etanol, karena kondisi fermentasi yang diberikan yaitu aerobik dimana pada kondisi ada oksigen khamir lebih cenderung melakukan pertumbuhan dan pembelahan sel sehingga etanol yang terbentuk kurang maksimal. Hal ini dapat dilihat dari nilai peningkatan X nya lebih tinggi dibandingkan dengan stop aerasi (1.2076 kali).
Tabel 8. Perbandingan Peningkatan Yx/s, Yp/s, Yp/x, dan S0-S/S0 dari jam ke- 0 sampai 72 pada sistem fed batch terekayasa stop aerasi dan aerasi
Perlakuan Jam Ke- X P Y x/s Y p/s Y p/x S0-S/S0
0 (aerasi) 5.613±0.016 0 0 0 0 0 18(stop aerasi) 7.049±0.008 3.302±0.0615 0.0095±0.0001 0.0221±0.0041 2.3211±0.471 0.6170±0.0007 20% 72 (stop aerasi) 7.208±0.008 10.858±0.003 0.0018±0.0002 0.0873±0.0072 48.002±0.901 0.9344±0.0007 Peningkatan (kali) 1.0225 3.2883 0.1894 3.9502 20.6807 1.5144 0 (aerasi) 5.541±0.021 0 0 0 0 0 18(stop aerasi) 7.441±0.081 3.089±0.100 0.0130±0.0002 0.0212±0.0009 1.6267±0.097 0.6064±0.0054 20% 72 (stop aerasi) 8.986±0.015 7.145±0.057 0.0182±0.0006 0.0477±0.001 2.6285±0.139 0.8964±0.0011 Peningkatan (kali) 1.2076 2.3130 1.4 2.25 1.6158 1.4782
Efisiensi pemakaian substrat pada konsentrasi substrat 20% (stop aerasi) lebih tinggi yaitu sebesar 1.5144 kali dibandingkan dengan konsentrasi substrat 20% (aerasi). Hal ini menunjukkan bahwa pada sistem fed batch stop aerasi, pada biomassa maksimal, kondisi dibuat tanpa ada oksigen yaitu aerasi dihentikan namun agitasi tetap dilakukan, khamir S. cerevisiae melakukan perubahan kondisi pertumbuhan (switching condition) yaitu dari aerobik ke anaerobik, pada kondisi anaerobik S.cerevisiae melakukan aktivitas metaboliknya dengan memproduksi sel dan produk melalui jalur fermentatif yaitu mengubah glukosa menjadi alkohol dan CO2.
Pada sistem fed batch terekayasa dengan perlakuan penghentian aerasi pada konsentrasi substrat 20% menunjukkan hasil yang optimal untuk pembentukan produk yaitu etanol dibandingkan dengan perlakuan tanpa penghentian aerasi (normal fed batch) pada konsentrasi yang sama (20%). Hal ini disebabkan oleh adanya perlakuan rekayasa bioproses yaitu penghentian aerasi dari jam ke-18 hingga akhir fermentasi dengan sistem fed batch terekayasa. Rekayasa bioproses yang dilakukan dapat meningkatkan konsentrasi produk yang dihasilkan yaitu etanol. Hal ini juga menunjukkan bahwa rekayasa bioproses dengan fermentasi secara fed batch terekayasa stop aerasi dapat meningkatkan produk sebesar 1.422 kali. Wahyuni (2008) menyebutkan bahwa rekayasa bioproses dapat meningkatkan konsentrasi etanol yang diperoleh, pada sistem fed batch dengan perlakuan penghentian aerasi dan agitasi tetap dilakukan terjadi peningkatan nilai kadar etanol dari 10.27±0.424% (v/v) menjadi 21.385% (v/v) yang berarti bahwa terjadi peningkatan kadar etanol sebesar 2.082 kali. Rekayasa bioproses yang dimaksud adalah pengaturan kondisi aerasi dan agitasi serta sistem batch maupun
fed batch.
Chandel et al. (2006) melaporkan bahwa fermentasi etanol dengan menggunakan sistem fed batch dapat meningkatkan kadar etanol yang diperoleh yaitu dapat meningkatkan kadar etaol sebesar 2.92 kali, dimana pada sistem fed batch diperoleh konsentrasi etanol sebesar 28.5±0.46 g/l (3.59% v/v) dan pada sistem batch diperoleh konsentrasi etanol sebesar 9.74±0.1 g/l (1.227% v/v).
Pada sistem fed batch terekayasa stop aerasi, pada perlakuan pertama yaitu perlakuan konsentrasi substrat 20% menunjukkan nilai peningkatan Yx/s paling
rendah dibandingkan dengan keempat perlakuan lainnya dan nilai peningkatan Yp/s, Yp/x, dan S0-S/S0 paling tinggi dibandingkan dengan keempat perlakuan lainnya. Perbandingan Peningkatan Yx/s, Yp/s, Yp/x, X, P, dan S0-S/S0 dari jam ke- 0 sampai 72 pada sistem fed batch terekayasa stop aerasi disajikan pada Tabel 9. Sedangkan data pendukung kinetika fermentasi yaitu nilai X, P, dan S disajikan pada Lampiran 16.
Pada sistem fed batch terekayasa dengan stop aerasi menunjukkan hasil bahwa perlakuan konsentrasi substrat 20% memiliki nilai peningkatan Yp/x lebih tinggi dari keempat perlakuan lainnya. Nilai Yp/x tersebut menunjukkan efisiensi pemanfaatan substrat dalam menghasilkan produk. Hal ini menunjukkan bahwa substrat glukosa dengan konsentrasi 20% yang ditambahkan ke dalam media fermentasi sebelumnya dikonversi secara maksimal oleh S.cerevisiae membentuk alkohol (etanol) sehingga nilai peningkatan Yp/x mencapai 20.6807 kali dengan nilai peningkatan produk (P) dan nilai peningkatan efisiensi (S0-S/S0) masing- masing sebesar 3.2883 kali dan 1.5144 kali.
Nilai peningkatan Yp/x terendah diperoleh pada perlakuan konsentrasi substrat 4% yaitu 3.674 kali. Hal ini menunjukkan bahwa glukosa yang ditambahkan tidak digunakan secara maksimal oleh S.cerevisiae untuk menghasilkan etanol karena selain memproduksi sel juga digunakan untuk memproduksi etanol, hal ini dapat diihat dari nilai peningkatan Yx/s yang diperoleh lebih tinggi yaitu 0.3607 kali dibandingkan dengan perlakuan pertama. Selain itu, konsentrasi glukosa yang ditambahkan terlalu rendah sehingga berpengaruh terhadap kadar etanol yang dihasilkan.
Nilai peningkatan Yx/s tertinggi pada sistem fed batch terekayasa stop aerasi diperoleh pada perlakuan konsentrasi substrat 16% yaitu 0.6197 kali. Nilai Yx/s tersebut menunjukkan bahwa kemampuan S.cerevisiae dalam mengkonversi substrat menjadi biomassa pada perlakuan penambahan substrat dengan konsentrasi 16% lebih baik dibandingkan dengan keempat perlakuan lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa substrat yang diumpankan digunakan oleh S.cerevisiae
untuk membentuk sel sebanyak-banyaknya. Sedangkan nilai peningkatan Yx/s terendah diperoleh pada perlakuan konsentrasi substrat 20% yaitu 0.1894 kali. Hal ini menunjukkan bahwa pada konsentrasi substrat 20%, sel yang terbentuk
hanya sedikit akan tetapi dengan biomassa yang sedikit dapat memproduksi etanol dengan sebanyak-banyaknya, hal ini dapat dilihat dari nilai Yp/x pada konsentrasi substrat 20% paling tinggi dibandingkan dengan konsentrasi substrat 16% dan nilai peningkatan X pada konsentrasi substrat 16% lebih tinggi dibandingkan dengan konsentrasi substrat 20% yaitu sebesar 1.0588 kali.
Perlakuan konsentrasi substrat 20% pada sistem fed batch terekayasa stop aerasi menunjukkan nilai peningkatan Yp/s tertinggi yaitu 3.9502 kali dibandingkan keempat perlakuan lainnya. Nilai Yp/s yang tinggi menunjukkan bahwa substrat dapat digunakan secara optimal oleh mikroorganisme untuk menghasilkan produk. Hal ini menunjukkan bahwa dengan penambahan konsentrasi substrat 20%, khamir S. cerevisiae memanfaatkan substrat tersebut untuk membentuk produk. Nilai peningkatan Yp/x terendah adalah pada perlakuan konsentrasi substrat 4% yaitu 1.1747 kali. Hal ini diduga S. cerevisiae
tidak mampu untuk mengubah asam piruvat membentuk etanol sehingga terjadi penumpukan asam. Selain itu, hasil akhir perombakan tersebut dapat berupa senyawa-senyawa lain seperti aldehid, asam organik, dan fusel oil. Pinho et al. (2006) menyebutkan bahwa pada kondisi anaerobik khamir akan mengkonversi gula menjadi alkohol selama fermentasi. Tidak hanya menghasilkan alkohol dan karbondioksida, tetapi bahkan senyawa lain (alkohol yang tinggi, asam organik, ester, aldehid, keton, senyawa belerang) sebagai kunci sensorik pada alkohol (bir).
Perlakuan konsentrasi substrat 20% pada sistem fed batch terekayasa dengan stop aerasi menunjukkan peningkatan pada nilai produk (P) dari 3.302±0.0615% (v/v) pada jam ke-18 (stop aerasi) menjadi 10.858±0.003% (v/v) pada jam ke-72 (stop aerasi). Hal ini menunjukkan bahwa terjadi peningkatan nilai produk (P) sebesar 3.2883 kali. Nilai peningkatan produk (P) pada konsentrasi substrat 20% paling tinggi dibandingkan dengan keempat perlakuan lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa pada saat penambahan substrat, khamir langsung memanfaatkan substrat untuk membentuk produk sebanyak-banyaknya hingga akhir fermentasi. Glukosa yang ditambahkan dikonversi secara maksimal oleh S.cerevisiae membentuk etanol.
Tabel 9. Perbandingan Peningkatan Yx/s, Yp/s, Yp/x, X, P dan S0-S/S0 dari jam ke- 0 sampai 72 pada sistem fed batch terekayasa stop aerasi
Perlakuan Jam Ke- X P Y x/s Y p/s Y p/x S0-S/S0
0 (aerasi) 4.935±0.0898 0 0 0 0 0 18(stop aerasi) 5.893 ±0.0063 3.213±0.274 0.0061±0.0005 0.0206±0.0018 3.3501±0.0061 0.6420±0.0009 4% 72 (stop aerasi) 6.080±0.0127 5.194±0.195 0.0022±0.0002 0.0242±0.0056 10.809±0.3620 0.9429±0.0004 Peningkatan (kali) 1.0317 1.6165 0.3607 1.1747 3.2265 1.4687 0 (aerasi) 4.967±0.0339 0 0 0 0 0 18(stop aerasi) 6.032±0.0091 3.484±0.121 0.0067±0.0002 0.0220±0.0006 3.2746±0.189 0.6543±0.0031 8% 72 (stop aerasi) 6.169±0.0205 5.633±0.531 0.0017±0.0001 0.0272±0.0053 15.510±0.170 0.9459±0.0007 Peningkatan (kali) 1.0227 1.6168 0.2537 1.2364 4.7364 1.4456 0 (aerasi) 4.995±0.0049 0 0 0 0 0 18(stop aerasi) 6.058±0.0162 3.653±0.0834 0.0071±0.0004 0.0240±0.0003 3.3520±0.231 0.6316±0.0022 12% 72 (stop aerasi) 6.295±0.0021 7.473±0.1605 0.0028±0.0002 0.0458±0.0012 16.135±0.6375 0.9413±0.0044 Peningkatan (kali) 1.0391 2.0457 0.3944 1.9083 4.8135 1.4903 0 (aerasi) 5.017±0.0339 0 0 0 0 0 18(stop aerasi) 6.121±0.0449 3.560±0.146 0.0071±0.0001 0.0231±0.0041 3.2389±0.4708 0.6353±0.0007 16% 72 (stop aerasi) 6.481±0.017 8.834±0.195 0.0044±0.0007 0.0654±0.0007 14.833±0.2394 0.9134±0.0003 Peningkatan (kali) 1.0588 2.4814 0.6197 2.8312 4.5796 1.4377 0 (aerasi) 5.613±0.016 0 0 0 0 0 18(stop aerasi) 7.049±0.008 3.302±0.0615 0.0095±0.0001 0.0221±0.0041 2.3211±0.471 0.6170±0.0007 20% 72 (stop aerasi) 7.208±0.008 10.858±0.003 0.0018±0.0002 0.0873±0.0072 48.002±0.901 0.9344±0.0007 Peningkatan (kali) 1.0225 3.2883 0.1894 3.9502 20.6807 1.5144
Nilai peningkatan efisiensi pemanfaatan substrat pada sistem fed batch
terekayasa stop aerasi menunjukkan bahwa perlakuan konsentrasi substrat 20% lebih tinggi dibandingkan dengan keempat perlakuan lainnya. Nilai peningkatan efisiensi yang diperoleh yaitu sebesar 1.5144 kali (97.49%). Nilai efisiensi tersebut menunjukkan bahwa efisiensi pemanfaatan substrat untuk menghasilkan produk dari jam ke-18 sampai jam 72 mengalami peningkatan sebanyak 1.5144 kali, artinya bahwa substrat dimanfaatkan secara maksimal untuk membentuk produk. Sedangkan nilai peningkatan efisiensi terendah diperoleh pada perlakuan konsentrasi substrat 16% dengan nilai peningkatan efisiensi yang diperoleh hanya 1.4337 kali (96.84%).
Efisiensi pemanfaatan substrat pada sistem fed batch terekayasa dengan perlakuan stop aerasi dan agitasi tetap dilakukan yaitu sebesar 97.49% pada konsentrasi substrat 20%. Nilai efisiensi pemanfaatan substrat yang diperoleh pada penelitian ini lebih tinggi dibandingkan dengan nilai efisiensi pemanfaatan substrat yang diperoleh pada penelitian Wahyuni (2008) yaitu pada sistem fed batch dengan perlakuan stop aerasi dan agitasi tetap dilakukan diperoleh nilai efisiensi pemanfaatan substrat sebesar 55.64%.
Berdasarkan uraian di atas menunjukkan bahwa pada sistem fed batch
terekayasa stop aerasi perlakuan konsentrasi substrat 20% merupakan konsentrasi substrat yang optimal digunakan oleh S.cerevisiae untuk menghasilkan etanol dengan kadar etanol yang diperoleh pada akhir fermentasi sebesar 10.858±0.003% (v/v) atau 8.610±0.002% (b/v) dengan efisiensi pemanfaatan substrat masing- masing sebesar 1.5144 kali (97.49%). Hasil yang diperoleh pada penelitian ini menunjukkan bahwa fermentasi dengan sistem fed batch terekayasa dapat meningkatkan konsentrasi etanol yang dihasilkan.
Laopaiboon et al. (2007) melaporkan bahwa pada proses produksi etanol dari sorghum secara fermentasi batch dan fed batch dengan menggunakan
S.cerevisiae TISTR 5048 selama 108 jam, pada fermentasi fed batch konsentrasi etanol, yield dan produktivitas yang dihasilkan masing-masing sebesar 120 g/l; 0.48 g/g dan 1.11 g/l/h. Sedangkan pada fermentasi batch konsentrasi etanol,
dan 1.67 g/l/h. Pada fermentasi fed batch diperoleh peningkatan konsentrasi etanol sekitar 20% dan peningkatan produk sekitar 14% dibandingkan dengan fermentasi batch. Fermentasi fed batch dapat meningkatkan efisiensi produksi etanol dalam hal konsentrasi etanol dan produk. Cheng et al. (2009) menyebutkan bahwa pada proses produksi etanol secara fed batch menggunakan S.cerevisiae
selama 32 jam, diperoleh nilai Yp/x dan nilai Yp/s masing-masing sebesar 24.75 g/g dan 2.47 g/g dengan konsentrasi etanol sebesar 17 g/l pada konsentrasi glukosa 2%. Sedangkan pada sistem batch nya diperoleh nilai Yp/x dan Yp/s masing-masing sebesar 21.49 g/g dan 0.81 g/g. Fermentasi fed batch lebih baik dari fermentasi batch karena produk yang dihasilkan lebih tinggi.
Hal ini juga menunjukkan bahwa dengan dilakukan rekayasa bioproses dapat menghasilkan etanol dengan produktivitas yang tinggi (etanol yang dihasilkan tinggi) dan efisiensi yang tinggi (gula sisa yang rendah). Rekayasa bioproses yang dilakukan pada penelitian ini adalah pengaturan kondisi aerasi (penghentian aerasi saat biomassa maksimum) dan pengaturan konsentrasi substrat yang diumpankan (variasi konsentrasi substrat) melalui sistem kultivasi
fed batch terekayasa.
Produksi etanol dengan menggunakan bahan baku ubi jalar dalam hal ini sirup glukosa ubi jalar merupakan salah satu alternatif pembuatan bioetanol berbasis pati. Ubi jalar selain mudah untuk dibudidaya, juga dapat tumbuh di lahan yang kurang subur, umur panen yang singkat, sehingga dalam pengembangan industri bioetanol, ubi jalar sangat berpotensi dijadikan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol. Selama ini, yang menjadi bahan baku dalam pembuatan sirup glukosa ubi jalar adalah pati kering ubi jalar. Melalui penelitian ini, tepung ubi jalar, pati basah ubi jalar dan umbi parut ubi jalar pada variasi bentuk bahan baku ubi jalar dalam pembuatan sirup glukosa diharapkan dapat dijadikan sebagai alternatif bahan baku dalam pembuatan sirup glukosa ubi jalar. Melalui penelitian ini juga, dengan hasil kadar etanol tertinggi yang diperoleh pada produksi bioetanol dari sirup glukosa ubi jalar yaitu mencapai 10.858±0.003% (v/v) atau 8.610±0.002% (b/v) diharapkan ubi jalar dapat dijadikan sebagai salah satu alternatif bahan baku pembuatan bioetanol dalam pengembangan industri bioetanol di Indonesia.