Optimalisasi Produktivitas Etanol dari Molases menggunakan Bakteri Zymomonas Mobilis dan Zymomonas Mobilis Termutasi pada Immobilisasi Sel Ca-Alginat

(1)

Optimalisasi Produktivitas Etanol dari Molases menggunakan

Bakteri Zymomonas Mobilis dan Zymomonas Mobilis Termutasi

pada Immobilisasi Sel Ca-Alginat

Teddy Apri Riantiarno (2306 100 509)

Yanu Pamungkas (2306 100 609)

Pembimbing : Ir. Mulyanto, MT

Laboratorium Teknologi Biokimia Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri - ITS Surabaya

(2)

Overview

Hasil dan Pembahasan Metode Penelitian Tinjauan Pustaka Pendahuluan Kesimpulan Daftar Pustaka Lampiran

(3)

(4)

Latar Belakang

Meningkatnya pengembangan Etanol sebagai bahan

bakar alternatif Potensi Molases dan

Zymomonas mobilis dalam produksi Etanol Adanya kendala produktivitas etanol pada Fermentasi sistem Batch

Indonesia kaya hasil laut (Alga coklat&merah),

sebagai bahan dasar pembuatan Alginat

Teknik Immobilisasi Sel Ca-Alginat

(5)

Rumusan Masalah

Besarnya kebutuhan Etanol sebagai energi alternatif. Molases sebagai bahan baku dalam pembuatan etanol.

Penggunaan Z. Mobilis dan Z. Mobilis Termutasi. Penggunaan Bioreaktor Kontinyu Packed Bed.

Optimalisasi Produktivitas Etanol.

(6)

Tujuan dan Manfaat Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

Untuk mengetahui pengaruh kadar gula total dalam molases dan dillution rate sebagai variabel berubah serta konsentrasi

immobilisasi sel Ca-Alginat sebagai variabel tetap terhadap kinerja produksi etanol dengan teknik immobilisasi sel di

bioreaktor kontinyu packed bed guna mendapatkan produktivitas etanol yang meningkat dari bahan baku molases dengan bakteri

Zymomonas mobilis dan yang termutasi, yang ditinjau dari yield

etanol yang lebih besar dan produktivitas etanol yang tinggi, serta diharapkan mampu menghasilkan etanol dengan

konsentrasi yang tinggi.

Manfaat dari penelitian ini adalah :

Diharapkan dapat dijadikan dasar dalam melakukan peningkatan produktivitas etanol serta mampu meminimalisasi energy cost dalam proses pemurniannya sebelum digunakan sebagai gasohol

(7)

Batasan Masalah

1. Yang akan dikerjakan dalam tugas akhir ini adalah pembuatan etanol menggunakan bahan baku molases dengan konsentrasi gula total dalam molases dan dillution rate yang berbeda-beda. 2. Bakteri yang digunakan adalah Zymomonas mobilis dan yang

dimutasi menggunakan hydroxylamine serta diseleksi pada

media asam sehingga membentuk karakteristik tahan terhadap asam.

3. Fermentor yang digunakan pada proses pembuatan etanol adalah reaktor kontinyu packed bed.

(8)

(9)

(10)

(11)

Tinjauan Pustaka

Etanol disebut juga sebagai etil-alkohol, merupakan

hidrokarbon berikatan tunggal. Rumus molekul etanol adalah C₂H₅OH, sedangkan rumus empirisnya adalah C₂H₆O, dimana

mempunyai sifat tidak berwarna dan tidak berasa, tetapi memiliki bau yang khas. Dalam kimia, etanol merupakan senyawa organik yang salah satu atom hidrogennya merupakan gugus OH.

Berdasarkan senyawa organik yang berikatan dengan gugus hidroksil senyawa alkohol terdiri atas R-OH :

1)primer (R-CH₂-OH)

2)sekunder ((R)₂CH-OH) dan 3)tersier ((R)₃C-OH)

Sifat fisika dari etanol adalah : 1) Titik didih : 78,32ºC

2) Titik kritis : 243,1ºC

(12)

Tinjauan Pustaka

Tahun Produksi Ethanol (Kilo Liter) Peningkatan (%)

2000 110.000 -2001 125.000 13,64 2002 125.000 0 2003 130.519 4,42 2004 132.000 1,54 2005 175.000 32,58 2006 176.000 0,55 2007 200.000 13,64 2008(*) 900.000.000(*) >>(*)

(*) Kebutuhan Ethanol yang diperkirakan (Sumber : BPPT) Produksi Etanol di Indonesia

(13)

Tinjauan Pustaka

Molases merupakan residu setelah sukrosa dikristalkan dari cane juice. Molases merupakan material yang dapat terbakar, tidak

beracun dan material yang sangat kental (viscous), dimana material ini mengandung sukrosa, fruktosa dan glukosa dengan total

konsentrasi 50 - 60% berat. Molases stabil dalam penyimpanan dan dapat terlarut dengan konsentrasi yang diharapkan. Ethanol

produksi (maximum) di capai selama 28 - 72 jam. Proses biasanya dilaksanakan dengan sistem batch, namun terkadang dapat juga dilaksanakan secara semi batch.

Secara umum, komposisi molases adalah 1)Gula invert = 54%, dengan komposisi :

• Sukrosa = 36% • Glukosa = 8% • Fruktosa = 10% 2)Abu = 8%

3)Impuritis = 18%

(14)

Tinjauan Pustaka

Ciri- ciri Zymomonas Mobilis

1) Bakteri gram negative terdapat pada tumbuhan kaya gula.

2) Tahan terhadap konsentrasi etanol 10% dan konsentrasi gula 20%.

3) Tahan pada suhu tinggi sampai 45o_C.

4) pH optimum untuk pertumbuhan 4 - 7.

Alasan pemilihan mikroorganisme ini didasarkan pada :

1) Kestabilan biokimia (karakteristiknya konstan dan uniform). 2) Mempunyai bentuk stabil bila disimpan pada suhu normal. 3) Mampu dan cepat terurai dalam air.

4) Dapat melakukan fermentasi dalam sumber karbohidrat yang digunakan.

5) Dapat berkembang biak dengan baik dan memberikan hasil yang baik dalam medium pembiakan.

6) Tahan terhadap kadar etanol tinggi dan suhu tinggi pada proses fermentasi dibandingkan dengan Saccaromices

(15)

Tinjauan Pustaka

Keterangan Alginat

Bahan Baku _{Ganggang coklat (Phaeophycota)}

Viskositas _{9.185 – 14.547 cPs}

Senyawa Heteropolisakarida terdiri dari monomer mannuronic acid dan gulunoric acid

BM 32.000–200.000 PH _5,0-10 Gel-strength _{229,99 - 242,77 g/cm2} Moisture _{12,75 - 15,10 %} Struktur Tentang Alginat :

(16)

Tinjauan Pustaka

Teknik Immobilisasi : proses untuk menghentikan pergerakan dari molekul enzim atau sel yang ditahan pada tempat tertentu

dalam suatu ruang reaksi yang digunakan sebagai katalis. Beberapa teknik immobilisasi sel, sbb :

1) Cara fisik, meliputi teknik penjebakan dengan supporting

matrice

2) Cara kimia, meliputi teknik pengikatan pada bahan pendukung melalui ikatan-ikatan ionik, kovalen dan ikatan silang (cross linking).

3) Cara penggumpalan sel.

4) Kombinasi cara diatas seperti cara adsorbsi dengan cross linking, penjebakan (encapsulation) dengan cross linking, dan lain-lain.

Keuntungan dengan menggunakan sel yang telah diimmobilisasi adalah :

1) Proses isolasi dan pemurnian enzim tidak diperlukan. 2) Aktivitas enzim tinggi.

3) Kestabilan enzim pada operasional umumnya lama.

(17)

(18)

Metodologi Penelitian

Kondisi Penelitian Kondisi Kontinyu :

1)Temperatur operasi = 30o_{C (suhu ruang)}

2)pH = 4 - 5

Variabel

Proses Secara Kontinyu :

1)Konsentrasi gula total dalam molases, (v/v) = 14%; 18%; 22% dan 26%

2)Carrier immobilisasi = Ca-Alginat

3)Konsentrasi immobilisasi dalam larutan = 2%

4)Dillution rate, (jam-1₎ _{= 0,75 dan 1,28}

MIKROORGANISME

Mikroorganisme yang digunakan dalam penelitian ini adalah Zymomonas

mobilis dan Zymomonas mobilis termutasi yang diperoleh dari Jurusan

(19)

1. Tahapan Awal a. Pretreatment Molases b. Pengembangan Kultur 2. Proses Fermentasi a. Pembuat starter/Biakan Metodologi Penelitian :

Metodologi Penelitian

b. Pembuatan Production Medium

c. Pembuatan cell immobilisasi Ca-Alginat d. Proses Fermentasi

(20)

Immobilisasi Sel Ca-Alginat :

Larutan Ca-Alginat _{Media nutrisi + sel} Gel Na-Alginat + sel

Gel yang sudah terbentuk dicetak ke dalam larutan CaCl₂ 2

% dengan nozzle dengan ukuran 2 mm Dibiarkan selama 10 -15 menit. Setelah mengeras dipotong atau digunting Kemudian dicuci

dengan larutan NaCl untuk menghilangkan

kelebihan ion ion Cl

-Sel immobilisasi dimasukkan dalam

Production medium Production Medium diinkubasi dalam shaker Inkubator pada suhu 30 o_{C selama 24 jam}

(21)

Metodologi Penelitian

1 2 3 4 5 ₆ 7 8 Keterangan : 1. Molases 2. Pompa Peristaltik 3. Fermentor 4. Immobilized Cells 5. Produk Etanol 6. Outlet gas 7. Statif 8. Termometer

(22)

(23)

Konsentrasi gula dalam molases, Dillution rate dan konsentrasi immobilisasi sel Ca-Alginat digunakan sebagai variabel dalam penelitian ini. Konsentrasi gula dalam molases yang divariasikan 14%; 18%; 22% dan 26%. Dengan analisa DNS didapatkan

kandungan glukosa untuk masing-masing konsentrasi gula diatas adalah sebagai berikut :

14% = 115,9961 g/L 18% = 161,6015 g/L 22% = 191,3441 g/L 26% = 210,1810 g/L

(24)

Hasil dan Pembahasan

Gambar Konsentrasi glukosa sisa

dengan waktu pengambilan sampel pada konsentrasi gula 14% dengan bakteri

Z.mobilis

Gambar Konsentrasi glukosa sisa

dengan waktu pengambilan sampel pada konsentrasi gula 14% dengan bakteri

(25)

Variabel Konsentrasi Glukosa sisa rata-rata (g/L)

Konsentrasi etanol rata-rata (g/L) Konsentrasi Gula 14%, D = 0,75 jam-1 _2,4865 _48,4340

Konsentrasi Gula 18%, D = 0,75 jam-1 _7,2319 _52,3264

Hasil dan Pembahasan

Gambar Konsentrasi etanol dan glukosa sisa sebagai fungsi waktu pengambilan sampel pada konsentrasi gula 14% dillution rate 1,28/jam dengan bakteri

Z.mobilis

Tabel Konsentrasi etanol dan glukosa sisa rata-rata tertinggi pada bakteri Z.mobilis

Tabel Konsentrasi etanol dan glukosa sisa rata-rata tertinggi pada bakteri Z.mobilis termutasi

Variabel Konsentrasi Glukosa sisa rata-rata (g/L)

Konsentrasi etanol rata-rata (g/L) Konsentrasi Gula 14%, D = 0,75 jam-1 _6,2459 _44,6125

(26)

Hasil dan Pembahasan

Gambar Konsentrasi etanol yang dihasilkan Z.mobilis dan A3 pada

dillution rate 1,28/jam dengan konsentrasi glukosa yang berbeda

Gambar Konsentrasi etanol yang dihasilkan Z.mobilis dan A3 pada

(27)

Hasil dan Pembahasan

Gambar Yield etanol yang dihasilkan

Z.mobilis dan A3 pada dillution rate 1,28/jam dengan konsentrasi glukosa yang berbeda

Gambar Yield etanol yang dihasilkan

Z.mobilis dan A3 pada dillution rate 0,75/jam dengan konsentrasi glukosa yang berbeda

(28)

Hasil dan Pembahasan

Gambar Produktivitas etanol yang dihasilkan Z.mobilis dan A3 pada

(29)

Hasil dan Pembahasan

Tabel Hasil fermentasi dengan

menggunakan bakteri Z.mobilis pada dillution rate 1,28/jam

Konsentrasi Glukosa (g/L) Konsentrasi Etanol (g/L) Yield (%) Produktivitas Etanol (g/L.jam) 115,9961 42,5282 44,2574 54,4360 161,6015 45,4772 42,0736 58,2109 191,3441 44,9761 39,2248 57,5694 210,1810 6,5651 8,4770 8,4033 Konsentrasi Glukosa (g/L) Konsentrasi Etanol (g/L) Yield (%) Produktivitas Etanol (g/L.jam) 115,9961 48,4340 40,5836 36,3255 161,6015 52,3264 33,8076 39,2448 191,3441 62,1704 36,8461 46,6278 210,1810 35,9649 25,7830 26,9737 Konsentrasi Glukosa (g/L) Konsentrasi Etanol (g/L) Yield (%) Produktivitas Etanol (g/L.jam) 115,9961 41,5182 37,4824 53,1433 161,6015 41,3652 26,4183 52,9474 191,3441 64,8260 38,0566 53,9773 210,1810 19,0360 14,1496 24,3661 Konsentrasi Glukosa (g/L) Konsentrasi Etanol (g/L) Yield (%) Produktivitas Etanol (g/L.jam) 115,9961 44,6125 40,6464 33,4594 161,6015 49,9935 34,1827 37,4951 191,3441 73,2615 40,9616 54,9461 210,1810 21,7682 17,1846 16,3262

Tabel Hasil fermentasi dengan

menggunakan bakteri Z.mobilis pada dillution rate 0,75/jam

Tabel Hasil fermentasi dengan menggunakan bakteri Z.mobilis termutasi pada dillution rate 1,28/jam

Tabel Hasil fermentasi dengan menggunakan bakteri Z.mobilis termutasi pada dillution rate 0,75/jam

(30)

(31)

Kesimpulan

Dari hasil penelitian dan hasil analisa yang dilakukan maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut :

1)Kondisi steady state produk dengan pemberian substrat secara kontinyu sulit dicapai, tetapi pada pengambilan sampel yang ke-15 (t = 21 jam) konsentrasi gula sisa mulai mengalami kondisi yang cenderung stabil. 2)Konsentrasi gula sisa yang semakin kecil, maka substrat yang

terkonsumsi oleh bakteri semakin besar, konversi substrat menjadi etanol juga semakin besar.

3)Konsentrasi gula dan dillution rate berpengaruh terhadap konsentrasi, yield dan produktivitas etanol yang dihasilkan oleh bakteri z.mobilis dan z.mobilis termutasi.

4)Hasil maksimal proses fermentasi kontinyu dicapai pada dilution rate 0,75 jam-1 _{dengan menggunakan bakteri Zymomonas mobilis termutasi :}

• konsentrasi etanol = 73,261 g/L (7,41%) pada kondisi konsentrasi gula 22%.

• yield etanol = 40,962% pada kondisi konsentrasi gula 22%.

• produktivitas etanol = 54,946g/L.jam pada kondisi konsentrasi gula 22%.

5)Bakteri Z.mobilis termutasi lebih baik dibandingkan bakteri Z.mobilis, karena lebih tahan terhadap kondisi asam.

(32)

(33)

Daftar Pustaka

Alegre, R. M., M. Rigo dan I.Joekes (2003),” Ethanol Fermentation of a Diluted Molasses Medium by

Saccharomyces cerevisiae Immobilized on Chrysotile”, Brazilian Archives Of Biology And Technology, Vol.46, no 4, hal 751-757.

Atlas, Ronald M, (1995), “Handbook of media for Environmental Microbiology”, Florida : CRC Press LLC,. Adney,B. dan J.Baker, (1996), “Chemical Analysis and Testing Task Laboratory Analitical Procedur”, LAP-006. Barros, M.R.A., J.M.S Cabra dan J.M.Novais, (1987), “Production Ethanol by Immobilized Saccharomyces Bayanus in an extractive Fermentation System”, Biotechnology and Bioengineering Vol XXIX hal 1097-1104. Bailey, J. E., dan Ollis, D. F., (1986), “Biochemical Engineering Fundamentals”, Mc Graw-Hill Inc, New York. BPPT RI, Data Konsumsi Etanol di Indonesia, 2008

Caprette, D.R. (2007), “Using A Counting Chamber”, Experimental Bioscience, Rice University

Caylak, B. dan F. V. Sukan, (1998), “Comparison of Different Production Processes for Bioetanol”, Turk J. Chem, 22 : 351-359.

Cazetta ML, Seligoi MAPC, Buzato JB and Scarmino IS, (2007), “Fermentation of molasses by Zymomonas mobilis: Effects of temperature and sugar concentration on etanol production”, Bioresource Technology. 98, 2824-2828.

Chibata, I. (1979), “Development of Enzyme Engineering Aplication of Immobilized Sel System”, Kemi-kemi, Vol. 6, No. 12, 705-713

Chibata, I., Tosa, T. dan Sato, T. (1985), “Immobilized Biocatalysts to Produce Amino Acids and Other Organic Compounds”, Enzymes and Immobilized Sels in Biotechnology, Chapter 3, The Benjamin/Cummings, California

(34)

Daftar Pustaka

Desrosier, Norman W. 1970. The Technology of Food Preservation, 3rd edition. Departemen ESDM RI, publikasi bulan Februari 2008.

Fardiaz, S., (1987), Fisiologi Fermentasi, PAU Pangan dan Gizi, IPB, Bogor.

Goksungur, Y. and N. Zorlu, (2001), “Production of Ethanol From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreactor”, Turk J. Biol., 25, page 265-275. Turkey.

Grote, W. ,K.J Lee dan P.L Rogers, (1980), Continuous Ethanol Production By Immobilized Sels of Zymomonas Mobilis, Biotechnology Letters vol 11, hal 481-486.

Gunasekaran, P. and K.C. Raj, (1999), “Etanol fermentation technology – Zymomonas mobilis”, Current Science. Vol. 77, #1, 56-68.

Internet News Group, Fermentation Of Carbon sugar and Starcches,www.biorefine.org, tanggal 13 April 2008 Internet News Group, Sumber Bahan Baku Etanol, www.agroindustri.com, tanggal 13 April 2008

Internet News Group, Fermentation Of Carbon sugar and Starches, www.biorefine.org, tanggal 13 April 2008 Internet http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Zymomonas_mobilis, tanggal 13 April 2008

Margaritis,A., P.K. Bajpai dan J. Wallace (1981), “High Ethanol Productivities using Small Ca-Alginate Bead of Immobilized Sels of Zymomonas Mobilis”, Biotechnology Letters, vol 3 no 11 hal 613 – 618.

Minier, M, and Goma, G, (1982), “Etanol Production by Extractive Fermentation”, J Biotechnology and Bioengineering, 34, hal 1565-1579.

Miller, G.L., (1959), “Use of Dinitrosalicylic Acid Reagent for Determination of ReducingSugar”, Anal. Chem., 31 : 426.

(35)

Daftar Pustaka

Montero, P. dan M. P. Mateos (2002), “Effects of Na+_{, K}+_{and Ca}2+_{on gels formed from fish mince containing a} carrageenan or alginate”, Food Hydrocolloids, Volume 16, Issue 4, hal 375-385.

Morris B. Jacobs (1961), ” Handbook of Microbiology”, School of Public Health and Administrative Medicine, Columbia University.

Menteri ESDM RI, “Gerakan Hemat BBM”, www.migas.esdm.go.id, tanggal 12 Desember 2007

Nelson, C. R., and Courter, M. L. (1954), “Ethanol by hydration of ethylene”, Chem. Eng. Prog. 50, hal 526-532. Najafpour, G.D. dan Lim, J.K (2002), “Evaluation and Isolation of Ethanol Producer Strain SMP-6”, Regional Symposium on Chemical Engineering.

Othmer dan Kirk (1984), “Encyclopedia of Chemical Technology”, vol. 9, 3 rd edition, John Wiley and Sons, hal 339.

Paturau, J, M (1982), “By Product of Cane Sugar Industry”, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam – Oxford – New York.

Prakasham, R.S. dan Ramakrishna, S.V. (1998), “Microbial Fermentations with Immobilized Cells”, Lecture Handouts, Biochemical and Environmental Engineering, Indian Institute of Chemical Technology, India.

Stanburry P.F., dan Whitaker A.(1984), “Principles of Fermentation Technology”, Pergamon Press Ltd., Inggris. Schlegel,H.G. (1994), “Mikrobiologi Umum”, edisi ke-6, Gadjah Mada University Press.

Yamada,T., M. A. Fatigati dan M.Zhang (2002), “Performance of Immobilized Zymomonas mobilis 31821 (pZB5) on Actual Hydrolysates Produced by Arkenol Technology”, Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 98– 100.

(36)

(37)

Lampiran

Hasil Analisa GC pada sampel KonGluk 14% ; D=1,5; pada jam 20;ZM

Hasil Perhitungan data GC pada sampel KonGluk 14% ; D=1,5; pada jam 20;ZM Hasil Analisa GC pada sampel yang lain

(38)

Lampiran

Pembuatan Kurva Kalibrasi glukosa Absorbansi (A) Konsentrasi Glukosa

(g/L) 0,0000 0,0000 0,0680 0,3600 0,1370 0,7200 0,2260 1,0800 0,2800 1,4400 0,3700 1,8000

(39)

Lampiran

Menghitung Jumlah Sel

Hasil Perhitungan Jumlah Sel

jam B ZM A3 B ZM jumlah sel B ZM A3 jumlah sel B ZM

0 0 0 0 0 3 8 7 300000000 262500000 6 12 9 450000000 337500000 9 15 10 562500000 375000000 12 17 12 637500000 450000000 15 19 15 712500000 562500000 18 25 17 937500000 637500000 21 29 20 1087500000 750000000 24 34 25 1275000000 937500000 27 38 30 1425000000 1,125E+09 30 40 35 1500000000 1,313E+09 33 39 37 1462500000 1,388E+09 36 37 36 1387500000 1,35E+09 39 35 36 1312500000 1,35E+09 42 33 32 1237500000 1,2E+09 45 31 30 1162500000 1,125E+09 48 29 27 1087500000 1,013E+09 25,94118 22,23529 972794117,6 833823529

(40)

Lampiran

Menghitung Konsentrasi Etanol

Hasil Perhitungan Konsentrasi Etanol

BERAT (GR) AREA RATIO AREA BERAT TERHITUNG

(GR) NAMA SAMP EL CH₃O H C₂H₅O H CH3OH C2H5OH CH3OH C2H5OH CH3OH C2H5OH STA 1 0,070 7 0,0074 171.852,00 22.537,92 1,00 0,13 0,0707 0,0093 STA 2 0,062 9 0,0156 151.169,49 48.104,74 1,00 0,32 0,0629 0,0200 STA 3 0,055 0 0,0239 148.486,15 80.577,20 1,00 0,54 0,0550 0,0298 STA 4 0,047 0 0,0303 117.579,82 100.269,26 1,00 0,85 0,0470 0,0401

(41)