II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Ubi Jalar
Ubi jalar sebagai salah satu komoditas pertanian penghasil karbohidrat dan sumber energi yang cukup tinggi. Kandungan karbohidrat ubi jalar menduduki peringkat keempat setelah padi, jagung dan ubi kayu. Sehingga ubi jalar memiliki peran yang penting sebagai cadangan pangan yang bila produksi padi dan jagung tidak mencukupi lagi. Ubi jalar dikenal sebagai bahan pangan alternatif sebagai pengganti beras dan jagung (Juanda dan Bambang 2004).
Ubi jalar merupakan tanaman ubi-ubian yang tergolong tanaman semusim (berumur pendek). Tanaman ubi jalar hanya satu kali berproduksi dan setelah itu tanaman mati. Tanaman ubi jalar tumbuh menjalar pada permukaan tanah dengan panjang tanaman dapat mencapai 3 meter, tergantung pada varietasnya (Rukmana 2006). Klasifikasi lengkap ubi jalar (Ipomoea batatas L) adalah sebagai berikut : Kingdom : Plantae Divisi : Spermatophyta Subdivisi : Angiospermae Kelas : Dycotiledone Ordo : Convolvulales Famili : Convolvulaceae Genus : Ipomoea
Spesies : Ipomoea batatas L.
Ubi jalar mempunyai keragaman jenis yang cukup banyak, yang terdiri dari jenis-jenis lokal dan varietas unggul. Jenis-jenis ubi jalar tersebut mempunyai perbedaan yaitu pada bentuk, ukuran, warna daging umbi, warna kulit, daya simpan, komposisi kimia, sifat pengolahan dan umur panen. Varietas ubi jalar cukup banyak diantaranya adalah Mendut, Kalasan, Lampenang, Sawo, Sukuh, Cilembu, Rambo, Georgia, Borobudur, Gedang, Tumpuk, Muara Takus, Klenang dan lain-lain. Varietas unggul dari Papua diantarannya Salosa, Patiki, dan Sawentar (Suhartina 2005). Pada umumnya ubi jalar dibagi dalam dua golongan yaitu ubi jalar yang berumbi lunak karena banyak mengandung air dan ubi jalar yang berumbi keras karena banyak mengandung pati (Lingga et al. 1986).
Menurut Suprapti (2003), ubi jalar dapat tumbuh hampir di semua jenis tanah termasuk lahan kritis. Kondisi tanah yang paling ideal untuk budidaya ubi jalar berada di dataran rendah 500 m di atas permukaan laut. Tanaman ubi jalar. mudah beradaptasi pada lingkungan termasuk tanah dengan aerasi dan drainase yang kurang baik. Potensi pengembangan produksi ubi jalar di Indonesia disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Perkembangan luas panen, produksi dan produktivitas ubi jalar Indonesia Tahun Luas Panen (ha) Produksi (ton) Produktivitas (ton/ha)
2000 194.262 1.827.687 9.4 2001 181.026 1.749.070 9.7 2002 177.276 1.771.642 10 2003 197.455 1.991.478 10.1 2004 184.546 1.901.802 10.3 2005 178.336 1.856.969 10.4 2006 176.507 1.854.238 10.5 2007 176.232 1.886.852 10.6 2008 170.079 1.824.140 10.7
Sumber : Badan Pusat Statistik (2008b)
Ubi jalar bisa ditanam baik pada lahan sawah maupun lahan tegalan. Pada umumnya di daerah pedesaan mempunyai produktifitas sekitar 10 ton per hektar. Sedangkan dengan teknik budidaya yang tepat beberapa ubi jalar dapat menghasilkan lebih dari 30 ton umbi basah per hektar. Terdapat 8 varietas unggul yang dilepas sejak tahun 1990 hingga 2001. Varietas-varietas ini selain mempunyai produktivitas tinggi, juga mempunyai sifat agak tahan terhadap hama boleng Cylas formicarius dan penyakit kudis Sphaceloma batatas. Pada umumnya di dataran rendah, ubi jalar dipanen pada umur 3.5 sampai dengan 5 bulan. Sedangkan di dataran tinggi ubijalar dipanen pada umur 5 sampai dengan 8 bulan (Gadang BKP Jatim 2008).
Ubi jalar memiliki waktu panen yang lebih singkat jika dibandingkan dengan beberapa tanaman umbi lainnya yang ada di Indonesia. Tabel 2 menunjukkan perbandingan karakteristik beberapa tanaman umbi di Indonesia. Umur panen ubi jalar lebih singkat (3 – 3.5 bulan) serta produktivitas cukup tinggi (10-30 ton/ha). Selain itu, ubi jalar cocok ditanam disemua jenis tanah atau pada daerah yang marijinal yang tidak terlalu subur, tidak membutuhkan pupuk yang banyak untuk pertumbuhannya. Dengan beberapa keunggulan yang dimiliki oleh
ubi jalar, maka diharapkan ubi jalar dapat digunakan sebagai salah satu alternatif bahan baku pada pembuatan bahan bakar yang sumbernya dari alam (biofuel) khususnya untuk pembuatan bioetanol.
Tabel 2. Perbandingan karakteristik tanaman penghasil bioetanol
Karakteristik Ubi Jalar Singkong Tebu Kentang Talas Jenis Tanah Cocok
untuk semua jenis tanah Cocok untuk semua jenis tanah Tanah lembab Tanah lembab Tanah lembab pH 5.5 – 7.5 4.5 – 8 5 – 6 5.5 – 6.0 5 – 6 Kebutuhan pupuk
Rendah Rendah Tinggi Tinggi Tinggi Masa panen (bulan) 3 – 3.5 6 – 12 8 – 14 3 – 7 6 – 10 Kandungan Karbohidrat (%) bk 98.13 51.36 Kadar sukrosa = 10 % 18 21 – 27 Produktivitas (ton/tahun) 11 – 30 10 – 13 90 13.7 30
Sumber : Departemen Pertanian (2008) 2.2 Sirup Glukosa
Sirup glukosa merupakan suatu larutan yang diperoleh dari pati atau sumber karbohidrat lain melalui hidrolisa yang komponen utamanya adalah glukosa (Judoamidjojo et al. 1989). Defenisi sirup glukosa menurut SNI 01-2978-1992 adalah cairan jernih dan kental dengan komponen utamanya glukosa, yang diperoleh dari hidrolisis pati dengan cara kimia atau enzimatik. Menurut Maiden (1970), glukosa cair berupa larutan dengan kekentalan antara 32-35 Be yang dihasilkan melalui hidrolisis pati dengan katalis asam, enzim, dan gabungan keduanya. Zat pati yang dapat dihidrolisis berasal dari bahan yang mengandung pati seperti jagung, gandum, ubi kayu dan ubi jalar.
Sirup glukosa atau sering juga disebut gula cair mengandung D-glukosa, maltosa, dan polimer D-glukosa yang dibuat melalui proses hidrolisis pati. Proses hidrolisis pati pada dasarnya adalah pemutusan rantai polimer pati (C6H12O6)n
menjadi unit-unit monosakarida (C6H12O6). Produk-produk hasil hidrolisis pati
dengan nilai DE (Dextrose Equivalent) yang menunjukkan persentase dari dekstrosa murni dalam basis berat kering pada produk hidrolisis. Dekstrosa murni adalah dekstrosa dengan derajat polimerisasi 1 (unit dekstrosa tunggal). Suatu produk hidrolisis pati dengan nilai DE 15, menunjukkan bahwa persentase dekstrosa murni pada produk kurang lebih sebesar 15 % (bk) (Meyer, 1978). Hidrolisis pati dapat dilakukan dengan menggunakan katalis enzim, asam atau gabungan keduanya pada waktu, suhu dan pH tertentu.
Pada hidrolisis pati dengan asam, molekul pati akan dipecah secara acak oleh asam dan gula yang dihasilkan sebagian besar merupakan gula pereduksi. Proses hidrolisis menggunakan katalis asam juga memerlukan suhu yang sangat tinggi yaitu 120 - 160 oC. Menurut Judoamidjojo (1992), hidrolisis pati secara asam hanya akan mendapatkan sirup glukosa dengan dekstrosa equivalen (DE) sebesar 55. Kelemahan dari hidrolisis pati secara asam antara lain yaitu diperlukan peralatan yang tahan korosi, menghasilkan sakarida dengan spektra-spektra tertentu saja karena katalis asam menghidrolisa secara acak. Jika nilai ekuivalen dekstrosa ditingkatkan, selain terjadi degradasi karbohidrat, juga terjadi rekombinasi produk degradasi yang dapat berpengaruh terhadap warna, rasa pada sirup glukosa yang dihasilkan.
Pembuatan sirup glukosa secara enzimatis dapat menghasilkan rendemen dan mutu sirup glukosa yang lebih tinggi dibandingkan dengan cara hidrolisis asam. Pada hidrolisis pati secara enzimatis, enzim memutus rantai pati secara spesifik pada percabangan tertentu. Hidrolisis pati secara enzim dapat menghasilkan sirup glukosa dengan dekstrosa equivalen (DE) lebih dari 95%. Penggunaan enzim dapat mencegah terjadinya reaksi sampingan karena sifat enzim sangat spesifik, sehingga dapat mempertahankan flavor dan aroma bahan dasar.
Pembuatan sirup glukosa dengan hidrolisis enzim terdiri dari tiga tahapan dalam mengkonversi pati, yaitu gelatinisasi, likuifikasi dan sakarifikasi. Gelatinisasi merupakan pembentukan suspensi kental dari granula pati, likuifikasi merupakan proses hidrolisis pati parsial yang ditandai dengan menurunnya viskositas dan sakarifikasi yaitu proses lebih lanjut dari hidrolisis untuk menghasilkan glukosa (Chaplin dan Buckle 1990).
Pada tahap likuifikasi terjadi pemecahan ikatan α-(1.4) glikosidik oleh enzim α-amilase pada bagian dalam rantai polisakarida secara acak hingga dihasilkan glukosa, maltosa, maltodekstrin dan α-limit dekstrin. Tahap likuifikasi dilakukan sampai mencapai derajat konversi sekitar 10-20% DE, atau sampai cairan berwarna coklat kemerahan bila direaksikan dengan larutan iodium. Tujuan dari likuifikasi adalah untuk melarutkan pati secara sempurna, mencegah isomerisasi gugusan pereduksi dari glukosa dan mempermudah kerja enzim α-amilase untuk menghidrolisa pati (Judoamidjojo et al. 1989). Dalam proses likuifikasi, hal yang perlu diperhatikan adalah konsentrasi substrat, penggunaan enzim yang stabil pada suhu tinggi, pengaturan suhu, pengaturan pH dan pengadukan serta pemanasan segera dan kontinu. Pengaturan pH larutan dapat digunakan NaOH dan HCl.
Sakarifikasi merupakan proses dimana oligosakarida sebagai hasil dari tahap likuifikasi dihidrolisis lebih lanjut oleh enzim tunggal atau enzim campuran menjadi glukosa. Pada proses sakarifikasi, oligosakarida sebagai hasil dari tahap likuifikasi dihidrolisis lebih lanjut menjadi glukosa oleh enzim amiloglukosidase. Faktor yang sangat penting diperhatikan pada proses sakarifikasi adalah dosis enzim yang digunakan dan waktu sakarifikasi (Hartoto et al. 2005).
2.3 Enzim Penghidrolisis Pati
Enzim yang dapat menghidrolisis pati terdiri dari dua jenis yaitu enzim yang dapat memecah ikatan α-1.4 glikosidik dan enzim yang dapat mengkatalis hidrolisa spesifik dari ikatan α-1.6 glikosidik pada amilopektin. Grup yang pertama dibedakan lagi atas endo-enzim yang memecah ikatan α-1.4 glikosidik secara random atau pada ikatan yang berada di tengah rantai polimer, dan secara ekso-enzim yang memecah ikatan α-1.4 glikosidik dari bagian ujung polimer (Judoamidjojo et al. 1989).
2.3.1 Enzim alfa amilase
Enzim α-amilase menghidrolisis ikatan ikatan α-1.4 glikosidik amilosa, amilopektin dan glikogen. Enzim ini bersifat sebagai endoamilase yaitu enzim yang memecah pati secara acak dari tengah atau dari bagian dalam molekul. Hidrolisis amilosa oleh α-amilase terjadi melalui dua tahap. Tahap pertama
adalah degradasi menjadi maltosa dan maltotriosa yang terjadi secara acak. Degradasi ini terjadi sangat cepat diikuti pula dengan menurunnya viskositas dengan cepat. Tahap kedua relatif lambat dengan pembentukan glukosa dan maltosa sebagai hasil akhir. Hidrolisis amilopektin oleh α-amilase menghasilkan glukosa, maltosa dan berbagai jenis α-limit dekstrin, yaitu oligosakarida yang terdiri dari empat atau lebih residu glukosa yang mengandung ikatan α-1.6 glikosidik (Suhartono 1989). Aktivitas α-amilase dapat diukur berdasarkan penurunan kadar pati yang larut dan kadar dekstrin yang terbentuk, pengukuran viskositas atau jumlah gula pereduksi yang terbentuk. Adanya amilosa pada pati atau dekstrin dapat diketahui berdasarkan warna yang terjadi bila diberikan iodium. Amilosa dengan iodium akan memberikan warna biru, sedangkan dekstrin dengan iodium berwarna coklat (Judoamidjojo et al. 1989).
Enzim α-amilase terbagi atas dua golongan yaitu α-amilase termostabil yang banyak digunakan pada proses likuifikasi pada suhu tinggi, dan α-amilase termolabil yang banyak digunakan pada proses sakarifikasi. Mikroorganisme penghasil enzim amilase dapat berupa bakteri dan kapang. Bakteri yang dapat menghasilkan amilase diantaranya B. Subtilis, B licheniformis, Aspergillus sp., Bacillus sp., dan Bacillus circulans (Arcinthya 2007). Bakteri tersebut menghasilkan amilase yang bersifat termostabil yaitu, enzim tersebut dapat aktif atau bekerja dalam suhu yang tinggi sehingga proses hidrolisis akan menjadi lebih mudah dan cepat dengan adanya bantuan panas atau suhu, sehingga proses pemutusan ikatan polisakarida lebih mudah. Menurut Fogarty (1983), enzim α-amilase pada umumnya stabil pada kisaran pH 5.5-8.0. Enzim α-α-amilase dari B. licheniformis mempunyai aktivitas optimum pH 6.5 dan suhu 90oC (Berghmans 1980).
2.3.2 Enzim Glukoamilase (AMG)
Enzim glukoamilase juga disebut amiloglokosidase yang disingkat AMG, gamma amilase serta α-1.4 D-glukan glukohidrolase atau EC 3.2.1.3 (Fogarty 1983). Enzim glukoamilase memecah ikatan polimer monosakarida pada bagian luar dan menghasilkan unit-unit glukosa dari ujung non-pereduksi rantai polimer polisakarida. Aktifitas enzim ini akan menurun secara drastis bila sampai pada ikatan glukosida α-1.6.
Enzim-enzim yang tergolong di dalam kelompok glukoamilase ini dapat diperoleh dari bagian strain Aspergillus dan Rhizopus. Enzim glukoamilase bersifat eksoamilase yaitu dapat memutus rantai pati menjadi molekul-molekul glukosa pada bagian non pereduksi dari molekul tersebut. Baik ikatan α-1.4 maupun α-1.6 dapat diputuskannya (Tjokroadikoesoemo 1986).
Aktivitas optimum enzim glukoamilase dipengaruhi oleh pH dan suhu. Sumber enzim yang berbeda akan menghasilkan enzim dengan kondisi aktivitas yang berbeda pula. Menurut Fogarty (1983), pH optimal enzim tersebut berkisar antara 4.5 – 5.0, tetapi hal itu juga tergantung sumber enzimnya. Suhu optimumnya berkisar antara 40 – 50oC. Pada umumnya mikroba termofilik akan menghasilkan enzim glukoamilase yang relatif tahan terhadap panas, demikian juga sebaliknya mikroba mesofilik pada umumnya menghasilkan enzim glukoamilase yang kurang tahan panas.
2.4 Bioetanol
Bioetanol merupakan etanol atau etil alkohol (C2H5OH) atau sering juga
disebut dengan grain alcohol. Etanol berbentuk cairan tidak berwarna dan mempunyai bau yang khas, biodegradable, kadar racun yang rendah dan sangat sedikit menimbulkan polusi bagi lingkungan. Berat jenis pada suhu 15oC sebesar 0.7937 dan titik didihnya 78.32oC pada tekanan 76 mmHg. Sifat lainnya adalah larut dalam air dan eter dan mempunyai panas pembakaran 328 Kkal.
Bioetanol diperoleh dari proses fermentasi gula dari sumber karbohidrat menggunakan bantuan mikroorganisme. Etanol umumnya digunakan dalam industri sebagai bahan baku industri turunan alkohol, campuran untuk minuman keras seperti sake atau gin, dan bahan baku farmasi dan kosmetika. Berdasarkan kadar alkoholnya, etanol terbagi menjadi tiga grade yaitu grade industri dengan kadar alkohol 90-94 %, netral dengan kadar alkohol 96-99.5 %, umumnya digunakan untuk minuman keras atau bahan baku farmasi, dan grade bahan bakar dengan kadar alkohol diatas 99.5 – 100 % (Hambali et al. 2007).
Bahan baku untuk pembuatan bioetanol secara fermentasi berupa karbohidrat, dan hampir semua karbohidrat terbentuk dalam tanaman melalui proses fotosintesa, baik sebagai gula (sakarida) yang terdiri dari satu atau dua gugus sakarosa, maupun senyawa lebih komplek sebagai zat pati dan selulosa.
Bahan hasil pertanian yang berkadar pati tinggi, meliputi biji-bijian (gandum, jagung, beras, dll), kacang-kacangan dan umbi-umbian (kentang, ubi jalar dan ubi kayu). Karbohidrat dalam bentuk zat pati tersebut untuk pembuatan etanol harus dihidrolisa dahulu menjadi glukosa (Assegaf, 2009). Pada Tabel 3 disajikan berbagai jenis tanaman yang biasa dibudidayakan dan dapat dijadikan bahan baku bioetanol.
Tabel 3. Tanaman penghasil bioetanol
Tanaman (1/ton) Etanol Produktivitas (t/ha) Umur panen (bulan) (1/ha/tahun) Etanol
Ubi kayu 180 40 9 7200 Jagung 385 6 3.5 4620(6930)* Ubi jalar 142 20 4 5680 (8520)* Sweet sorgum 76.7 6 4 920.4(1378.8)* Biji sorgum 389 4 3.5 3112(4668)* Talas 142 20 10 2840
* diganti oleh penulis dengan 3 kali panen ubi jalar dalam setahun Sumber : Shintawaty (2006)
Bioetanol yang digunakan sebagai bahan bakar mempunyai beberapa kelebihan, diantaranya lebih ramah lingkungan, karena bahan bakar tersebut memiliki nilai oktan 92 lebih tinggi dari premium dengan nilai oktan 88, dan pertamax dengan nilai oktan 94 (Mursyidin 2007). Penggunaan bioetanol di Indonesia dijadikan sebagai bahan pensubtitusi, yang pada umumnya masih dalam bentuk campuran dengan bensin dalam konsentrasi 10% (E-10) yaitu 10 persen bioetanol dan 90 persen bensin. Campuran bioetanol dalam bensin dikenal dengan istilah gasohol. Penambahan etanol dalam bensin disamping dapat menambah volume bahan bakar minyak juga dapat meningkatkan nilai oktan bensin. Disamping itu, penambahan etanol dalam bensin dapat berfungsi sebagai sumber oksigen sehingga dapat menghasilkan pembakaran yang lebih bersih. Pada point ini bioetanol dapat diposisikan sebagai pengganti methyl tertiary-butyl ether (MTBE) yang banyak digunakan sebagai bahan aditif dalam bensin.
Etanol sebagai bahan bakar memiliki karakteristik yang mirip dengan bensin sehingga dapat digunakan untuk mensubstitusinya. Etanol bersifat mudah terbakar dengan nyala biru tanpa jelaga serta mudah menguap. Jika dibandingkan dengan bensin, etanol memiliki karakteristik yang lebih baik. Dilihat dari rumus kimianya, (C2H5OH), etanol mengandung 35 persen oksigen sehingga dapat
meningkatkan efisiensi pembakaran dan mengurangi emisi gas rumah kaca, bersifat ramah lingkungan karena emisi gas buangnya rendah terhadap senyawa-senyawa yang berpotensi sebagai polutan (karbon monoksida, nitrogen oksida, dan gas-gas rumah kaca), mudah terurai dan aman karena tidak mencemari air. Kelebihan lain yang dimiliki bioetanol dibandingkan dengan bensin yaitu dapat diperbaharui dan cara pembuatannya yang sederhana yaitu melalui fermentasi menggunakan mikroorganisme tertentu.
Pembuatan bioetanol dari glukosa melibatkan proses fermentasi. Fermentasi adalah perubahan 1 mol glukosa menjadi 2 mol etanol dan 2 mol CO2. Proses
fermentasi dilakukan dengan menambahkan yeast atau ragi untuk mengkonversi glukosa menjadi bioetanol yang bersifat anaerob yaitu, tidak memerlukan oksigen (O2).
Menurut Judoadmidjojo et al. (1989), proses fermentasi pembentukan etanol membutuhkan bantuan yeast atau khamir. Untuk bahan yang mengandung gula dalam bentuk polisakarida atau oligosakarida, terlebih dahulu harus diubah dulu dalam bentuk yang lebih sederhana yaitu monosakarida (fruktosa atau glukosa). Yeast tersebut akan merubah gula-gula sederhana yaitu fruktosa atau glukosa (C6H12O6) menjadi etanol (C2H5OH) dan karbondioksida (CO2). Reaksi yang
terjadi adalah sebagai berikut :
C6H12O6 Æ 2 C2H5OH + 2 CO2
Monosakarida Etanol Karbondioksida
Menurut Paturau (1981) bahwa fermentasi etanol membutuhkan waktu 30-72 jam. Prescott dan Dunn (1981) menyatakan bahwa waktu fermentasi etanol yang diperlukan adalah 3 sampai 7 hari. Frazier dan Westhoff (1978) menambahkan suhu optimum fermentasi 25-30 oC dan kadar gula 10 – 18 persen.
2.5 Khamir
Khamir maupun bakteri dapat digunakan untuk memproduksi etanol. Khamir Saccharomyces cerevisiae var ellipsoides mampu menghasilkan etanol dalam jumlah tinggi (16-18%) pada media yang sesuai. Khamir yang lain yang dapat digunakan adalah Schizosaccharomyces sp., S. uvarum dan Kluyveromyces sp. Bakteri Zymomonas mobilis diketahui merupakan penghasil etanol yang potensial (Hartoto 1992).
Khamir memerlukan media dan lingkungan yang sesuai untuk pertumbuhan dan perkembangannya. Unsur-unsur dasar yang dibutuhkan adalah karbon, hidrogen, oksigen, fosfor, potasium zat besi dan magnesium. Unsur karbon banyak diperoleh dari gula, sedangkan sebagai sumber notrogen dapat digunakan amonia, garam amonium, asam amino, peptida, pepton, nitrat atau urea tergantung dari jenis khamir (Prescott dan Dunn 1981).
Menurut Frazier dan Westhoff (1978), khamir tumbuh optimum pada suhu 25-30oC dan maksimum pada suhu 35-47oC, pH yang disukai antara 4-5. Batas
minimal aw untuk khamir biasa adalah 0.88-0.94 sedangkan khamir osmofilik
dapat tumbuh pada aw yang lebih rendah yaitu sekitar 0.62-0.65, namun banyak
juga khamir osmofilik pertumbuhannya terhenti pada aw 0.78 seperti pada larutan
garam ataupun sirup gula.
Saccharomyces cerevisiae dapat memfermentasi glukosa, sukrosa, galaktosa serta rafinosa (Kunkee dan Mardon 1970). S. cerevisiae merupakan top yeast tumbuh cepat dan sangat aktif memfermentasi pada suhu 20oC (Frazier dan Westhoff 1978). S. cerevisiae dapat toleran terhadap alkohol yang cukup tinggi (12-18 % v/v), tahan terhadap kadar gula yang tinggi dan tetap aktif melakukan fermentasi pada suhu 4-32oC (Harisson dan Graham 1970).
Menurut Hartoto (1992), pada kondisi aerobik atau konsentrasi glukosa tinggi S. cerevisiae tumbuh dengan baik, namun alkohol yang dihasilkan rendah. Sedangkan pada kondisi anaerobik, pertumbuhan lambat dan piruvat dari jalur katabolik dipecah oleh enzim piruvat dekarboksilase menjadi asetaldehid dan karbondioksida secara reduksi oleh enzim alkohol dehidrogenase. Pada kondisi aerobik, pemecahan gula mengikutsertakan oksigen atmosfir melalui beberapa lintasan proses. Pada respirasi oksidasi sempurna dari glukosa menghasilkan CO2
dan air, sedang oksidasi tidak sempurna diikuti oleh akumulasi asam dan lain-lain produk intermediet.
Pertumbuhan khamir cukup bervariasi dari suhu 0 oC sampai 47 oC. Secara umum, khamir dapat tumbuh dengan baik pada suasana asam, yaitu pH 3.5 sampai 3.8 yang dapat menghambat sebagian bakteri. Toleransi asamnya adalah selang pH 2.2 sampai 8.0. Mekanisme pembentukan etanol oleh khamir melalui jalur Embden-Meyerhof-Parnas Pathway atau lebih dikenal dengan jalur glikolisis. Alur dari tahap glikolisis disajikan pada Gambar 01.
Hasil dari tahap glikolisis atau jalur EMP adalah memecah glukosa menjadi dua molekul asam piruvat. Proses yang terjadi dalam jalur glikolisis adalah sebagai berikut :
1. Glikolisis diawali dengan reaksi pembentukan senyawa glukosa-6-fosfat dari glukosa. Reaksi tersebut merupakan reaksi yang membutuhkan energi yang diambil dari pemutusan ikatan fosfat dari ATP. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim heksokinase atau glukokinase. Pada tahap ini, satu molekul ATP digunakan dan satu molekul ADP dihasilkan;
2. Reaksi kedua adalah pembentukan isomer fruktosa-6-fosfat dari glukosa-6-fosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim fosfoheksosa isomerase.
3. Fruktosa-6-fosfat selanjutnya dikonversi menjadi fruktosa-1,6-bisfosfat oleh enzim fosfofruktokinase. Reaksi ini berjalan spontan dan merupakan rate limiting step pada proses glikolisis. Pada tahap ini pun satu molekul ATP digunakan dan satu molekul ADP dihasilkan;
4. Tahap selanjutnya adalah reaksi pemecahan fruktosa-1,6-bisfosfat oleh enzim aldolase menjadi dihidroksiasetonfosfat (DHAP) dan gliseraldehid-3-fosfat (GA-3P). Tahap ini merupakan salah satu tahap penting dalam proses glikolisis (dimana C6 dirubah menjadi 2C3); DHAP dan GA-3P merupakan
senyawa yang memiliki susunan molekul yang sama; GA-3P langsung digunakan dalam tahap selanjutnya glikolisis dan DHAP dikonversi menjadi GA-3P oleh enzim triosefosfat isomerase;
5. Gliseraldehid-3-fosfat (GA-3P) dioksidasi dengan penambahan fosfat inorganis (Pi) menjadi 1,3-difosfo-gliserat (1,3-dP-GA) oleh enzim gliseraldehid-3-fosfat-dehidrogenase.
Gambar 01. Tahap Glikolisis (Embden-Meyerhof-Parnas Pathway) (Crueger dan Anneliese 1984)
6. 1,3-difosfo-gliserat melepaskan satu grup fosfat untuk membentuk ATP dan ADP dan kemudian dikonversi menjadi fosfogliserat (3P-GA) oleh enzim 3-fosfogliseratkinase;
7. 3-fosfogliserat (3P-GA) selanjutnya dikonversi menjadi 2-fosfogliserat (2P-GA) oleh enzim fosfogliserat mutase;
8. 2-fosfogliserat (2P-GA) selanjutnya didehidrasi menjadi fosfofenol piruvat oleh enzim enolase;
9. Tahap terakhir dari jalur glikolisis adalah defosforelasi fosfofenol piruvat (PEP) menjadi piruvat oleh enzim piruvat kinase; pada tahap ini dibentuk sebuah molekul ATP.
Reaksi setelah pembentukan DHAP dan GA-3P selama proses glikolisis berlangsung sebanyak dua kali. Piruvat yang merupakan produk akhir dari tahap glikolisis ini merupakan kunci pada proses metabolisme. Secara keseluruhan, reaksi dari proses glikolisis adalah sebagai berikut :
Glukosa + 2 ADP + 2 NAD+ + 2 Pi Æ 2 pyruvate + 2 ATP + 2 (NADH + H+)
Setelah melalui tahapan glikolisis, piruvat yang terbentuk kemudian diubah menjadi asetaldehid dan CO2 oleh enzim piruvate dekarboksilase, setelah itu
enzim alkohol dehidrogenase mengubah asetaldehid menjadi alkohol.
Gambar 02. Proses Pembentukan Etanol dari Piruvat 2.5 Kultivasi Sistem Fed Batch
Sistem fed batch merupakan kultur batch yang diumpankan dengan media secara kontinyu atau berurutan tanpa pengambilan cairan kultur, sehingga volume kultur semakin bertambah selama waktu kultivasi. Kultivasi fed batch umumnya lebih unggul dibandingkan dengan sistem batch dan kontinyu, terutama untuk
mengubah konsentrasi media membentuk produk dengan produktivitas yang tinggi (Son et al. 2007).
Kultur fed batch sebagai kultur dengan pasokan nutrisi secara kontinyu yang dapat dioperasikan dalam dua cara yaitu dengan volume yang berubah-ubah dan dengan volume konstan. Tipe kultivasi ini dapat mencegah penghambatan substrat terhadap pertumbuhan dengan menambahkan substrat pada tahap batch dan dapat menyebabkan perubahan laju pertumbuhan secara periodik (Stanbury dan Whitaker 1984).
Pada saat pertumbuhan suatu organisme pada kultur batch dibatasi oleh konsentrasi salah satu substrat dalam media, maka konsentrasi biomassa pada fase stasioner (Xmaks), dijelaskan dengan persamaan 1 (dengan asumsi bahwa jumlah inokulum awal tidak signifikan dibandingkan biomassa akhir).
Xmax ≈ YSR (1)
Dimana,
Y = yield untuk substrat pembatas (g biomassa/g substrat yang dikonsumsi) SR = konsentrasi substrat dalam media.
Jika media segar ditambahkan ke dalam bejana kultivasi pada laju dilusi (D) yang lebih kecil daripada µmax maka sebenarnya semua substrat akan dikonsumsi saat
diumpankan ke dalam sistem. Meskipun jumlah volume dalam bejana bertambah seiring waktu kultivasi namun sebenarnya konsentrasi sel (x) adalah konstan, yaitu (dx/dt ≈ 0) dan oleh karena itu µ = D. Sistem tersebut dikatakan berada dalam quasi-steady state. Semakin bertambahnya waktu kultivasi dan volume kultur, maka laju dilusi akan menurun. Nilai D dijelaskan pada persamaan 2.
D = F/Vo + F.t (2) Dimana,
D = laju dilusi
F = laju pengumpanan Vo = volume awal kultur
T = waktu pengumpanan pada operasi fed batch
Kinetika Monod memperkirakan bahwa jika nilai D turun maka konsentrasi residu substrat juga akan menurun, sehingga akan menyebabkan peningkatan
konsentrasi biomassa. Pada laju pertumbuhan yang lebih tinggi, konsentrasi substrat awal akan lebih besar daripada konsentrasi residu substrat dan peningkatan konsentrasi substrat tidak signifikan. Laju dilusi pada kultur fed batch dapat dipertahankan konstan dengan meningkatkan laju pengumpanan secara ekponesial (Trevan et al. 1987).
2.7 Kinetika Fermentasi
Mikroorganisme tumbuh dalam suatu spektrum lingkungan fisik dan kimiawi yang sangat luas, pertumbuhannya dan kegiatan-kegiatan fisiologik lainnya merupakan suatu respon terhadap lingkungan fisiko kimiawinya. Kinetika fermentasi menggambarkan pertumbuhan dan pembentukan produk oleh mikroorganisme, bukan hanya pertumbuhan sel aktif, tetapi juga kegiatan-kegiatan sel sel-sel istirahat dan sel mati, berhubung masih banyak produk-produk komersial diproduksi setelah pertumbuhan mikroorganisme terhenti.
Menurut Judoamidjojo et al. (1992), pertumbuhan mikrobial biasanya dicirikan dengan waktu yang dibutuhkan untuk menggandakan massa sel atau jumlah sel. Waktu ganda massa dapat berbeda dengan waktu ganda sel, karena massa sel dapat meningkatkan tanpa peningkatan dalam jumlah sel. Namun demikian bila pada suatu lingkungan tertentu interval antara massa sel atau penggandaan jumlah adalah konstan dengan waktu, maka organisme itu tumbuhan pada kecepatan eksponensial. Pada keadaan ini pertumbuhan dinyatakan sebagai :
X dt dX µ = (1) atau N dt dN n µ = (2) Dimana : X = konsenstrasi sel (g/l) N = jumlah sel (sel/l)
µ = laju pertumbuhan spesifik dalam jam-1 (massa) t = waktu (menit)
µn = laju pertumbuhan spesifik dalam jam-1 (jumlah)
Persamaan (1) menggambarkan peningkatan massa sel dan kesetimbangan dan persamaan (2) menggambarkan peningkatan jumlah sel dengan fungsi waktu.
Pada umumnya pertumbuhan diukur dengan peningkatan massa, sehingga µ dapat digunakan. Jika persamaan (1) diintegralkan maka akan menjadi :
∫
2 =∫
1 2 1 / X X t t dt x dx µ (3)Bila laju pertumbuhan spesifik tetap, maka akan menghasilkan : t x x = µ∆ 1 2 ln (4)
Untuk kasus dimana ∆t = td, maka : µ µ 693 , 0 2 ln = = td (5)
Dimana td adalah waktu ganda sel.
Selama fermentasi batch, laju pertumbuhan spesifik adalah konstan dan tidak tergantung pada perubahan konsentrasi nutriennya (Stanbury dan Whitaker 1984). Bentuk hubungan antara laju pertumbuhan dan konsentrasi substrat telah diteliti oleh Monod (1942), dengan persamaan sebagai berikut :
µmax S
µ = Ks + S
Dimana,
µ = laju pertumbuhan spesifik
µmax = laju pertumbuhan spesifik yang maksimal
S = konsentrasi substrat
Ks = konstanta penggunaan substrat, nilainya sama dengan konsentrasi
substrat pada saat µ = ½ µmax dan merupakan ukuran afinitas
mikroorganisme terhadap substrat
Pertumbuhan dan pembentukan produk oleh mikroorganisme merupakan proses biokonversi. Dimana nutrien kimiawi yang diumpankan pada fermentasi dikonversi menjadi massa sel dan metabolit-metabolit. Setiap konversi dapat dikuantifikasikan oleh suatu koefisien hasil yang dinyatakan sebagai massa sel atau produk yang terbentuk per unit massa nutrien yang dikonsumsi, yaitu Yx/s
untuk sel dan Yp/s untuk produk yang dihitung dengan menggunakan persamaan
∆ x ∆ p
Yx/s = Yp/s =
∆ S ∆ S Dimana,
Yx/s = rendemen pembentukan sel oleh substrat
Yp/s = rendemen pembentukan produk oleh substrat
Menurut Sa’id (1987) bahwa tumbuh yang dicirikan oleh peningkatan massa sel, hanya terjadi bilamana kondisi-kondisi kimiawi dan fisika tertentu terpenuhi, misalnya terdapatnya suhu dan pH yang dapat sesuai dan tersedianya nutrien yang dibutuhkan. Kinetika pertumbuhan dan pembentukan produk memperlihatkan kemampuan sel dalam memberikan respon terhadap lingkungan.
Pertumbuhan mikroorganisme secara batch yang ditumbuhkan pada medium tertentu, memiliki kurva seperti yang disajikan pada Gambar 03. Umumnya, pertumbuhan diukur dengan pengukuran massa sel. Fase pertumbuhan dimulai pada fase adaptasi, fase pertumbuhan yang dipercepat, fase pertumbuhan logaritma (eksponensial), fase pertumbuhan yang mulai dihambat, fase stasioner maksimum, fase kematian dipercepat, dan fase kematian logaritma.
Pada fase adaptasi, mikroba baru menyesuaikan diri dengan lingkungan yang baru, sehingga sel belum membelah diri. Sel mikroba mulai membelah diri pada fase pertumbuhan yang dipercepat, tetapi waktu generasinya masih panjang. Fase permulaan sampai fase pertumbuhan dipercepat sering disebut lag phase. Kecepatan sel membelah diri paling cepat terdapat pada fase pertumbuhan logaritma atau pertumbuhan eksponensial, dengan waktu generasi pendek dan konstan. Selama fase logaritmik, metabolisme sel paling aktif, sintesis bahan sel sangat cepat dengan jumlah konstan sampai nutrien habis atau terjadinya penimbunan hasil metabolisme yang menyebabkan terhambatnya pertumbuhan. Selanjutnya pada fase pertumbuhan yang mulai terhambat, kecepatan pembelahan sel berkurang dan jumlah sel yang mati mulai bertambah. Pada fase stasioner maksimum jumlah sel yang mati semakin meningkat sampai terjadi jumlah sel hidup hasil pembelahan sama dengan jumlah sel yang mati, sehingga jumlah sel hidup konstan, seolah-olah tidak terjadi pertumbuhan (pertumbuhan nol). Pada fase kematian yang dipercepat kecepatan kematian sel terus meningkat sedang kecepatan pembelahan sel nol, sampai pada fase kematian logaritma maka
kecepatan kematian sel mencapai maksimal, sehingga jumlah sel hidup menurun dengan cepat seperti deret ukur. Walaupun demikian penurunan jumlah sel hidup tidak mencapai nol, dalam jumlah minimum tertentu sel mikroba akan tetap bertahan sangat lama dalam medium tersebut.
Gambar 03. Kinetika Fermentasi batch. Kurva : (a) memperlihatkan massa sel bila tidak terjadi lisis, (b) massa sel bila terjadi lisis dan diikuti pertumbuhan kriptik, dan (c) “Viabel Cell Count” bila terjadi lisis (Wang et al. 1979).
Menurut Wang et al. (1979), pertumbuhan juga dapat dihubungkan dengan konsumsi nutrien selain dihubungkan dengan pembentukan produk. Pembentukan produk tidak mungkin terjadi tanpa adanya sel. Oleh karena itu, diharapkan pertumbuhan dan pembentukan produk sangat erat kaitannya dengan penggunaan nutrien, dan ini tergantung pada kontrol pengaturan metaboliknya.
