Pada tahap sebelumnya telah dilakukan fermentasi dari dekstrin dan sirup glukosa pati sagu untuk mendapatkan jenis substrat dan konsentrasi substrat yang optimum untuk proses produksi etanol. Proses fermentasi dilakukan dengan agitasi penuh selama 24 jam dengan kecepatan 150 rpm. Dari tahap tersebut diperoleh hasil bahwa proses yang menghasilkan jumlah biomassa dan etanol tertinggi didapat dari proses fermentasi sirup glukosa dengan konsentrasi total gula 24 %. Jumlah etanol yang didapatkan belum maksimal, sehingga perlu dilakukan rekayasa bioproses untuk mendapatkan hasil yang lebih baik. Pada tahap selanjutnya dilakukan rekayasa bioproses dengan menggunakan substrat yang terpilih. Agitasi dihentikan pada saat khamir mengalami fase log dimana sel sedang banyak-banyaknya terbentuk, gula dalam substrat masih banyak tersedia dan pertumbuhan sel belum masuk ke fase stasioner. Rekayasa dilakukan dengan menghentikan agitasi pada jam ke-6. Perlakuan tersebut diharapkan dapat menghasilkan etanol yang lebih tinggi dibandingkan dengan agitasi penuh.
Gambar 11. Kurva Pertumbuhan Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus
Khamir mengalami pertumbuhan yang ditandai dengan adanya peningkatan bobot biomassa kering atau jumlah biomassa selama proses fermentasi. Gambar 11 menunjukkan bahwa pada jam ke-6 khamir masih mengalami fase log/eksponensial dimana laju pembentukan sel masih tinggi. Setelah jam ke-12 khamir mulai masuk ke fase stasioner yang ditandai dengan penurunan laju pertumbuhan. Hasil pengukuran jumlah biomassa didapat bahwa biomassa pada agitasi penuh mengalami pertumbuhan yang lebih bagus dibandingkan pada agitasi yang dihentikan pada jam ke-6. Pada agitasi penuh substrat banyak digunakan untuk pembentukan sel. Jumlah sel biomassa dari jam ke-6 sampai jam ke-24 pada agitasi penuh lebih tinggi dibandingkan pada agitasi yang dihentikan pada jam ke-6.
Pada agitasi penuh jumlah total biomassa pada jam ke-24 dapat mencapai 3,10+0,10 g/l, sedangkan pada agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 hanya mencapai 2,76+0,01 g/l. Hal tersebut terjadi karena pada agitasi penuh banyak terjadi transfer oksigen. Pada kondisi aerobik substrat banyak digunakan untuk pertumbuhan sel. Menurut Tjokroadikoesoemo (1986), dalam kondisi aerobik substrat dimanfaatkan untuk menghasilkan biomassa melalui reaksi sebagai berikut :
C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6CO2 + 675 Kal + biomassa sel
2. Kadar Etanol
Agitasi berfungsi untuk mempermudah difusi oksigen ke dalam media fermentasi dan membuat campuran substrat dengan inokulum menjadi homogen. Difusi oksigen akibat adanya agitasi mengakibatkan kondisi menjadi aerobik sehingga mendukung pembentukan sel. Kadar etanol yang dihasilkan pada agitasi penuh dan agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 dapat dilihat pada Gambar 12.
34 0 5 10 15 20 25 30
Agitasi Penuh Agitasi Dihentikan pada Jam ke-6
Pe rlakuan K a d a r Eta n o l (g /l )
Gambar 12. Kadar Etanol yang Dihasilkan pada Agitasi Penuh dan Agitasi yang Dihentikan pada Jam Ke-6.
Pada penelitian utama ini dilakukan rekayasa proses dengan cara menghentikan agitasi pada saat biomassa masih mengalami fase log dimana sel sedang banyak tumbuh. Dengan perlakuan tersebut diharapkan kondisi menjadi anaerobik dan substrat tidak lagi dikonsumsi untuk memperbanyak sel melainkan untuk membentuk produk (etanol). Namun, pada Gambar 12 dapat dilihat bahwa agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 menghasilkan etanol yang lebih sedikit dibandingkan pada agitasi penuh. Pada agitasi penuh dapat dihasilkan etanol hingga 26,96+1,80 g/l dan pada agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 dapat dihasilkan etanol 21,21+2,83 g/l. Fermentasi dengan agitasi penuh menghasilkan etanol yang lebih banyak karena substrat dan inokulumnya lebih homogen. Agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 menyebabkan kondisi tidak homogen, biomassa cenderung berkumpul di tengah dan mengendap ke bawah. Kondisi yang tidak homogen mengakibatkan proses fermentasi tidak berjalan secara maksimal dan etanol yang dihasilkan juga sedikit. Berdasarkan hasil analisa sidik ragam, perlakuan rekayasa proses tidak berpengaruh nyata terhadap kadar etanol yang dihasilkan.
0 1 2 3 4 5 0 6 12 18 24
Waktu (jam ke-)
pH
Agitasi penuh
Agitasi yang dihentikan pada jam ke-6
3. pH
Proses fermentasi juga ditandai dengan adanya penurunan pH. Perubahan pH selama proses fermentasi menggunakan agitasi penuh dan agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 13. Perubahan pH Selama Fermentasi pada Agitasi Penuh dan Agitasi yang Dihentikan pada Jam Ke-6.
Nilai pH pada awal fermentasi diatur antara 4,5-5,5. Nilai pH pada semua perlakuan cenderung menurun selama fermentasi. Pada awal fermentasi sampai jam ke-6 nilai pH menurun secara drastis. Setelah jam ke-6 penurunan nilai pH tidak signifikan dan cenderung stabil. Nilai pH selama fermentasi pada agitasi penuh tidak jauh berbeda dengan agitasi yang dihentikan pada jam ke-6. Pada jam ke-24, rata-rata pH pada agitasi penuh mencapai 3,22+0,02, sedangkan rata-rata pH pada agitasi yang dihentikan di jam ke-6 mencapai 3,23+0,00. Pada agitasi penuh,
Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus mengalami pertumbuhan yang lebih pesat sehingga konsumsi NH4+ lebih banyak dan H+ yang dilepas juga semakin banyak. Hasil samping proses metabolisme berupa asam-asam organik lebih banyak dihasilkan pada kondisi aerobik (agitasi penuh) sehingga nilai pH akhir pada agitasi penuh lebih rendah dibandingkan pada agitasi yang dihentikan pada jam ke-6.
36 0 50 100 150 200 250 300 0 1 2 3 4 5 Sampling ke- K o n se n tr a si To ta l G u la (g /l ) Agitasi penuh
Agitasi yang dihentikan pada jam ke-6
Penurunan pH dapat terjadi karena penglepasan H+ selama konsumsi NH4+ dan penggunaan asam amino sebagai sumber nitrogen. Nilai pH yang rendah pada fermentasi tersebut dapat juga disebabkan oleh akumulasi produk samping berupa asam-asam organik hasil metabolisme karbohidrat (Embden Meyerhof-Parnas Pathway). pH yang terlalu rendah dapat menghambat pertumbuhan mikroorganisme, oleh karena itu sebaiknya ditambahkan larutan buffer sehingga penurunan pH tidak terlalu besar.
4. Total Gula
Penurunan konsentrasi substrat selama fermentasi dapat memperlihatkan kemampuan suatu mikroorganisme untuk mengkonversi nutrisi menjadi sel/biomassa dan menghasilkan produk. Penurunan total gula pada substrat sirup glukosa 24 % dengan agitasi penuh dan agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 dapat dilihat melalui gambar berikut.
Gambar 14. Penurunan Total Gula selama Fermentasi pada Agitasi Penuh dan Agitasi yang Dihentikan pada Jam Ke-6.
Pada Gambar 14 dapat dilihat bahwa konsentrasi gula awal pada substrat sama yaitu 240 g/l. Proses fermentasi dilakukan selama 24 jam. Konsentrasi total gula dalam substrat terlihat mengalami penurunan selama proses fermentasi. Pada jam ke-24, sisa total gula pada agitasi penuh sebanyak 166,56+3,47 g/l, sedangkan pada agitasi yang dihentikan pada jam
ke-6 total gula masih tersisa sebanyak 166,82+5,21 g/l. Hasil tersebut menunjukkan bahwa pemanfaatan substrat masih belum maksimal. Sisa total gula di dalam substrat pada jam ke-24 masih tinggi. Hal ini mungkin terjadi karena adanya inhibitor yang dapat menghambat jalannya proses fermentasi.
5. Kinetika Fermentasi
Kinetika fermentasi dapat menggambarkan proses biokonversi substrat menjadi biomassa dan produk (metabolit). Parameter kinetika fermentasi yang dihitung antara lain rendemen substrat menjadi biomassa/sel (Y x/s), rendemen substrat menjadi produk (Y p/s), rendemen produk terhadap biomassa (Y p/x), laju pertumbuhan spesifik () dan pemanfaatan substrat ((S0-S)/S0). Hasil perhitungan kinetika fermentasi disajikan pada tabel di bawah ini.
Tabel 4. Nilai Rendemen Biomassa, Substrat dan Produk pada Perlakuan Agitasi.
Perlakuan Y x/s Y p/s Y p/x
Agitasi penuh 0,04+0,00 0,41+0,00 10,41+0,34 Agitasi dihentikan pada jam ke-6 0,04+0,00 0,34+0,07 9,48+1,45
Proses fermentasi dilakukan selama 24 jam dalam sistem tertutup (batch). Hasil perhitungan rendemen fermentasi pada tabel 4 menunjukkan bahwa rendemen substrat menjadi biomassa (Y x/s) pada agitasi penuh dan pada agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 sebesar 0,04+0,00. Nilai rendemen substrat menjadi produk (Y p/s) pada agitasi penuh lebih tinggi dibandingkan hasil rekayasa proses. Nilai Y p/s pada agitasi penuh sebesar 0,41+0,00, sedangkan pada agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 sebesar 0,34+0,07. Rendemen produk terhadap biomassa (Y p/x) juga menunjukkan pola yang sama. Semakin tinggi nilai Y x/s dan Y p/s menggambarkan bahwa pada efisiensi biokonversi substrat menjadi biomassa dan produk juga semakin tinggi. Nilai rendemen (yield) yang lebih tinggi pada agitasi
38 tidak homogen dapat menyebabkan proses biokonversi substrat menjadi biomassa dan produk tidak dapat berjalan secara maksimal. Berdasarkan hasil analisa sidik ragam, perlakuan rekayasa proses tidak berpengaruh nyata terhadap nilai Y x/s, Y p/s dan Y p/x.
Tabel 5. Nilai maks dan Pemanfaatan Substrat pada Agitasi Penuh dan Agitasi yang Dihentikan pada Jam Ke-6.
Perlakuan maks (jam-1) (S0-S)/S0
Agitasi penuh 0,26+0,00 0,28+0,02 Agitasi dihentikan pada jam ke-6 0,25+0,01 0,27+0,02
Rekayasa proses dilakukan dengan menghentikan agitasi pada saat khamir berada pada fase eksponensial yaitu pada saat maks. Pada semua perlakuan khamir mengalami maks pada jam yang sama yaitu pada jam ke-6 dimana rekayasa proses baru dimulai. Setelah fase tersebut, khamir mulai masuk ke fase stasioner dan laju pertumbuhannya mulai menurun. Nilai maks pada agitasi penuh tidak berbeda jauh dari agitasi yang dihentikan pada jam ke-6. Dari tabel 5 dapat dilihat bahwa nilai pemanfaatan substrat ((S0-S)/S0) pada agitasi penuh lebih tinggi dari agitasi yang dihentikan pada jam ke-6. Nilai pemanfaatan substrat ((S0-S)/S0) pada agitasi penuh adalah sebesar 0,28+0,02, sedangkan pada agitasi yang dihentikan pada jam ke-6 sebesar 0,27+0,02. Substrat yang ada digunakan untuk pembentukan sel biomassa dan menghasilkan produk (metabolit).
V. KESIMPULAN DAN SARAN
