Skripsi Kinerja Fermentasi Ekstraktif Dalam Produksi Bioetanol dari Nira Siwalan (Borassus flabellifer L.)

Skripsi

” Kinerja Fermentasi Ekstraktif Dalam Produksi

Bioetanol dari Nira Siwalan (Borassus flabellifer L.)“

Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng

Disusun Oleh :

Maulana Satya Nugroho 2310100002 Rr Whiny Hardiyati Erliana 2310100052

Overview

Pendahuluan

1

Tinjauan Pustaka

2

Metodologi Penelitian

3

Hasil dan Pembahasan

4

Kesimpulan dan Saran

5

Latar Belakang

Pertambahan

Penduduk

Kebutuhan

Energi

Bahan Bakar

Minyak

BIOETANOL

Latar Belakang

Etanol diperlukan untuk substitusi BBM

Adanya kelemahan dalam fermentasi batch sehingga menurunkan produktivitas dan akumulasi produk dapat meracuni mikroba

Dilakukan proses fermentasi kontinyu dengan immobilisasi sel yang terintegrasi dengan Mikroorganisme

yang umum digunakan adalah Zymomonas

mobilis dan Saccaromyces cerevisiae saja sehingga

perlu membandingkan mikroorganisme lain.

Macam Metode Fermentasi

Kelemahannya : Produktifitas etanol rendah Inhibisi karena akumulasi etanol FERMENTASI BATCH Meningkatkan Produktifitas etanol mengatasi inhibisi FERMENTASI EKSTRAKTIF Kelemahannya : Kadar etanol rendah banyaknya gula yang tidak terkonversi FERMENTASI KONTINYU Metode yang Dipilih

Fermentasi-Ekstraktif

FERMENTASI

EKSTRAKTIF

Teknik mendapatkan etanol dengan

melakukan proses fermentasi dan

ekstraksi secara bersama-sama

Mengurangi inhibisi dari produk akhir

untuk meningkatkan efisiensi proses

secara keseluruhan

Pelarut yang dipilih pada ekstraksi

adalah yang tidak beracun

Tujuan Penelitian

Mengetahui performa terbaik dari variasi

mikroorganisme yang digunakan dalam

memproduksi etanol dengan fermentasi

ekstraktif.

Mengetahui karakteristik kinerja sistem

fermentasi kontinyu dalam bioreaktor packed

bed dengan variasi mikroorganisme

Manfaat Penelitian

Mengetahui variasi mikroorganisme yang

dapat digunakan untuk memproduksi etanol

dengan proses fermentasi ekstraktif.

Digunakan sebagai media dalam

pengembangan penelitian pembuatan etanol

dengan cara fermentasi ekstraktif.

Bahan Baku

Dipilih nira siwalan dengan alasan:

• Ketersediaannya melimpah

• Tidak memerlukan proses hidrolisa • Ekonomis

Komponen

Kadar (%b/v) _{Rata – rata} (%b/v)

Replika 1 Replika 2 Replika 3

Fruktosa 2,08 2,17 2,21 2,15 Glukosa 2,80 2,72 2,81 2,78

Sukrosa 0 0 0 0

Etanol

Rumus molekul :C₂H₅OH Rumus empiris :C₂H₆O Sifat • tidak berwarna • mudah menguap • tidak berasa

• memiliki bau yang khas.

• titik didih (73,32o _C)

• titik kritis (243,1o _C)

Zymomonas mobilis

termutasi A3

Karakteristik:

• Tahan pada pH rendah antara 4-5

• Morfologi lebih besar dengan gerakan lebih sedikit • Fase adaptasi kurang lebih 3 jam

• Tahan pada suhu tinggi 50o_C

(Alfena ,2008)

Kelebihan dibandingkan Saccharomyces cerevisiae:

• Produksi biomass lebih rendah

• Tidak perlu mengontrol kelebihan oksigen selama proses fermentasi

• Yield etanol yang dihasilkan lebih tinggi • Waktu fermentasi yang lebih singkat

• Laju metabolisme dari gulanya lebih tinggi

Saccharomyces cerevisiae

Karakteristik:

• cepat berkembang biak

• tahan terhadap suhu yang tinggi diatas 30o_{C pada}

pH 4,8

• mempunyai sifat stabil dan cepat mengadakan adaptasi

Keuntungan:

• Hemat biaya

• Mudah digunakan

• Memiliki kemampuan fermentasi tinggi

Pichia Stipitis

Karakteristik:

• Dominasi haploid, ragi heterotolik yang memiliki hubungan dengan Candida shehatae dan pentosa metabolisme ascomycetous ragi species

• Memiliki kapasitas tertinggi untuk fermentasi xylose

(Vaughan Martini, A. E. 1984) Kelebihan Pichia Stipitis:

Pichia Stipitis dapat menghasilkan etanol dengan rate

produksi yang tinggi dalam campuran glukosa dan

xylosa. Semakin tinggi fraksi glukosa yang terkandung dalam campuran glukosa dan xylosa, semakin tinggi etanol yang dihasilkan. (Frank K. Agbogbo, 2006)

Kluyveromyces Marxianus

Karakteristik:.

• Pada bagian spora, halus mulai bulat kacang atau berbentuk sabit, spora dewasa biasanya mengandung lipid

• Kluyveromyces Marxianus mempunyai kemampuan dalam fermentasi gula pada suhu yang tinggi (hingga suhu 45° C) dan dapat bertumbuh dengan baik pada pH 4,5-5.

Kelebihan Kluyveromyces Marxianus:

Kluyveromyces Marxianus dapat menghasilkan etanol

dengan rate produksi yang tinggi dalam campuran glukosa, xylose, mannose, dan galactose. Semakin

tinggi fraksi glukosa yang terkandung dalam campuran, semakin tinggi etanol yang dihasilkan.

Karaginan

• Getah rumput laut dari hasil

ekstraksi rumput laut merah

dengan

menggunakan

air

panas

(hot water) atau larutan

alkali pada temperatur tinggi

(Glicksman 1983)

• Mampu membentuk gel dalam

air dan bersifat

reversible

• Sensitif terhadap ion kalium

dan

membentuk

gel

kuat

dengan adanya garam kalium

Fermentasi Dengan Immobilisasi Sel

Suatu proses untuk menghentikan pergerakan

dari molekul enzim atau sel yang ditahan pada

tempat tertentu dalam suatu ruang reaksi yang

digunakan sebagai katalis

Keuntungan Immobilisasi Sel

menggunakan metode entrapment

• Densitas sel yang tinggi pada setiap unit bioreaktor

sehingga produktifitas tinggi

• Sel yang terimobilisasi dapat digunakan kembali

• Suatu proses kontinyu yang mungkin dioperasikan akan

melewati nominal rate washout

• Pemisahan yang mudah dari biokatalis dan fase liquid dari

produk yang diinginkan sehingga akan memperkecil biaya

pemisahan

• Meningkatkan toleransi atau perlindungan pada sel dari

inhibisi produk

Penelitian Terdahulu

Richard D. Offeman, Serena K.Stephenson, Diana Franqui, Jessica L.Cline, George H. Robertson, William J. Orts (2008)

 Solven octanol, dodecanol, 2-hexyl

1-Ayu Ratna Permanasari dan Ririn Indriani A.R (2012)

Zymomonas mobilis,molasses Solven amyl alcohol, recycle ratio

0%,50%,60%,70%,80%

Amyl alcohol bersifat toxic

Yield 32,58%

Produktivitas 192, 15 g/L.h

Astuti Lisa Wardani dan Azlina Tyara Putri (2012)

• Nira Siwalan, Z.mobilis dan S.cerevisiae • Solven amyl alcohol, tanpa recycle dan 50%

recycle

• Z.mobilis, recycle 50% yield 33,63% Ana dan Nadia Sanggra (2013) • Nira Siwalan, Z.mobilis dan

S.cerevisiae, Pichia stipitis

• Solven amyl alcohol, n-butanol tanpa

recycle dan 50% recycle

• Z.mobilis, recycle 50% yield 44,83% • Produktivitas 264,41 g/L

Variabel Dalam Penelitian

Pelarut

• n- Amyl alcohol

Mikroorganisme

• Z.mobilis termutasi

• Campuran S.cerevisiae+Pichia

stipitis

• Campuran Pichia

stipitis+Kluyveromyces marxianus

Tahapan Proses

Pengukuran konsentrasi gula reduksi sisa dan konsentrasi etanol

Proses Fermentasi Ekstraktif

Pembuatan Immobilisasi Sel karaginan

Pretreatment Nira Siwalan

Pengembangan Kultur

Pelarutan Penempatan Sterilisasi

Penggoresan Inkubasi

Penyimpanan

40 gram Nutrien agar dilarutkan pada 100ml aquadest, dipanaskan pada suhu 70˚C

Pre Treatment Nira Siwalan

dipanaskan (80˚C, 20 menit) Sterilisasi pH dan Nutrisi 20 menit 121˚C , 15 menit H₂SO₄ pH 4-5 (NH₄)₂SO₄ 3 gr KH₂PO₄ 1,53gr MgSO₄. 7H₂O 0,55gr

Pembuatan Starter (Z.mobilis)

KULTUR Zymomonas mobilis termutasi PENANAMAN 4 ose culture

100 ml media nutrisi, 10 g yeast extract; 1 g (NH₄)₂SO₄; KH₂PO₄ 1 g; MgSO₄.7H₂O 0.5 g INKUBASI Inkubasi di inkubator shaker 30o_{C, 15 hours}

PRE-TREATMENT

(Pichia stipitis +Saccharomyces, Phicia+K.Marxianus)

(NH₄)₂SO₄ 1

gram MgSO0,5 gram4. 7H2O

KH₂PO₄

1gram Yeast extract 10 gram

Dimasukkan dalam

inkubator shaker selama 15 100 ml nira siwalan dipanaskan selama 20 menit

• Menginokulasikan mikroorganisme pada nira, sebanyak 3 ose Pichia Stipitis dan 1 ose Saccharomyces

• Dengan cara yang sama, menginokulasikan mikroorganisme sebanyak 3 kali Kluyveromyces marxianus

Penanaman Pembiakkan Pencampuran Pencetakkan Pencucian Peningkatan pertumbuhan Penyimpanan

4 ose Z.Mobillis dalam 100 ml nira siwalan yang sudah ditambahkan nutrisi (1g (NH4)2SO4, KH2PO4

1 g, MgSO4.7H2O 0.5 gram, yeast ekstrak 10 gram

Inkubator shaker 30˚C, selama 15 jam 50ml media nutrisi dlm 450ml larutan karaginan 50˚C Dicetak dgn diameter 2mm pada 1000ml larutan KCl 3,5% Bead dicuci dlm 1000ml larutan

NaCl 0,85%

Pembuatan Immobilisasi Sel dalam

Larutan Karaginan

Bead dimasukan dalam nira untuk feed

Skema Alat Percobaan

1 2 3 4 7 6

8 7 1. Tangki Penampung Solven

2. Tangki Penampung Nira 3. Fermentor (packed bed) 4. Tangki Penampung Broth 5. Ekstraktor

6. Tangki Penampung Rafinat 7. Tangki Penampung Ekstrak 8. Pompa Peristaltik Solven 9. Pompa Peristaltik Nira

4

5

 Pada Nira Siwalan Murni

Analisa Yang Dilakukan

Nira Siwalan Kadar Glukosa, Fruktosa, Sukrosa Analisa HPLC

 Pada Hasil Proses Fermentasi

Analisa Yang Dilakukan

Broth Fermentasi

Kadar Glukosa

 Pada Hasil Proses Ekstraksi

Analisa DNS, Spektrofotometer Broth, Ekstrak, Rafinat Kadar Etanol

Perbandingan Grafik Konsentrasi Gula reduksi

Sisa dalam Fermentasi terhadap Waktu

Mikroorganisme Zymomonas mobilis termutasi memiliki kemampuan lebih cepat dalam mengkonversi glukosa menjadi etanol sehingga tidak

membutuhkan waktu yang lama dalam proses fermentasi apabila dibandingkan dengan campuran P. stipitis + S. cerevisiae dan

Pengaruh Mikroorganisme Pada Proses

Fermentasi-Ekstraktif Terhadap Yield

45.484 20.897 6.827 37.372 16.215 2.754 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000

Zymomonas mobilis Termutasi Pichia + Sacharomyces Kluyveromyces + Pichia

Yield

(%

Pengaruh Mikroorganisme Pada Proses

Fermentasi-Ekstraktif Terhadap Produktivitas

178.298 81.915 26.764 146.500 63.564 10.794 0.000 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000 180.000 200.000 Zymomonas mobilis

Termutasi A3 Pichia + Sacharomyces Kluyveromyces + Pichia

Pr od ukti vi tas (g/ L. Jam )

0.000 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000 Zymomonas mobilis

Termutasi A3 SacharomycesPichia + Kluyveromyces +Pichia

69.660 32.932 10.275 Kon sent rasi Etano l(g /L)

Pengaruh Mikroorganisme Pada Proses

Kesimpulan

Pada kondisi substrat dengan konsentrasi gula reduksi

sebesar 150 g/L. Dapat disimpulkan :

1. Proses fermentasi kontinyu menggunakan Zymomonas

mobilis A3

memberikan hasil produktivitas dan yield

etanol yang terbaik, yaitu masing-masing sebesar

178,296 g/L.jam dan 45,454 %.

2. Proses

ekstraksi

tanpa

recycle

menggunakan

Zymomonas mobilis A3

memberikan hasil % recovery

yang terbaik, yaitu 61,935 %

3. Proses fermentasi kontinyu dan ekstraksi secara

terintegrasi tanpa recycle menggunakan Zymomonas

Saran

1. Nira siwalan harus segera ditreatment,

karena dapat terfermentasi secara cepat.

2. Perlu dilakukan pembekuan pada nira

siwalan yang telah di pretreatment agar

glukosa tidak terfermentasi.

3. Analisa terhadap sampel yang diambil harus

segera dilakukan supaya tidak terjadi

fermentasi lanjut.

4. Perlu dilakukan pembekuan terhadap sampel

yang telah diambil agar tidak terjadi

fermentasi lanjut.