PENINGKATAN
PRODUKTIVITAS ETANOL DARI MOLASES
DENGAN TEKNIK IMMOBILISASI DI BIOREAKTOR PACKED – BED
R.Darmawan, Tri Widjaja(*)
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jl. Arief Rahman Hakim, Keputih – Sukolilo, Surabaya 60111
Telp : 62-31-5946240, 62-31-5961317 Fax : 62-31-5999282 Email : kajur_tkimia@its.ac.id, r_darmawan@chem-eng.its.ac.id
Abstrak
Pengembangan bahan bakar alternatif yang dapat diperbarui dengan murah dan ramah lingkungan yaitu dengan memproduksi serta memanfaatkan etanol atau bioethanol sebagai gasohol. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan produktivitas etanol yang meningkat yang ditinjau dari yield etanol yang lebih besar dan laju produksi yang tinggi. Pada proses produksi etanol atau bioethanol ini menggunakan bahan baku yang berasal dari molases dengan proses fermentasi dengan mikroorganisme Zymomonas mobilis. Untuk mendapatkan produktivitas etanol yang tinggi akan dilakukan percobaan dengan teknologi produksi etanol secara kontinyu di Bioreaktor Packed-bed. Pada proses ini dengan mengubah konsentrasi gula pada feed, serta immobilisasi sel menggunakan media Ca-Alginat. Dalam penelitian ini pada konsentrasi glukosa dalam molases 10% (107 g/lt) dan pada konsentrasi Ca-alginat 6 % w/v merupakan kondisi yang optimum dimana menghasilkan kadar, yield serta produktivitas etanol yang maksimal yaitu masing-masing sebesar = 52.074 g/L, 50.14 %, 12,876 g/lt.J, sedangkan fermentasi secara batch menghasilkan kadar, yield serta produktivitas etanol masing- masing sebesar = 7,39 g/L, 23 %, 0,205 g/lt.J.
Kata Kunci : Etanol, molases, Zymomonas mobilis, Bioreaktor Packed-bed, immobilisasi sel 1. Pendahuluan
Kebutuhan manusia terhadap bahan bakar minyak semakin meningkat, sedangkan cadangan energi minyak bumi (fosil) setiap harinya semakin berkurang. Diperkirakan konsumsi bahan bakar minyak dunia pada tahun 2025 – 2030 sekitar 190 juta barel per hari, atau dua kali lipat dari konsumsi BBM saat ini. (Departemen ESDM, 2008). Oleh karena itu perlu adanya pengembangan sumber energi lain sebagai alternatif yang murah dan dapat diperbarui guna mengurangi ketergantungan BBM. Khususnya di Indonesia, pemerintah berharap ketergantungan terhadap konsumsi bahan bakar fosil, berkurang dari 52 % menjadi 20 %. (Departemen ESDM, 2008), seperti diterbitkan PP No: 5 Tahun 2006 tentang kebijakan Energi Nasional untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai bahan bakar pengganti minyak.
Produksi bioetanol yang dikembangkan saat ini dapat dibuat dari bahan baku yang mengandung glukosa, pati, dan selulosa. Glukosa dapat berasal dari kandungan molases yang dikonversi secara langsung menjadi etanol. Bahan baku utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah molases karena lebih ekonomis, ditinjau dari harga bahan baku (molases) relatif murah yang merupakan hasil samping dari pembuatan gula, serta untuk memanfaatkan hasil samping dari pembuatan gula dalam berbagai produk.
Proses Fermentasi konvensional yang umumnya dijalankan dengan proses batch, sebagai upaya untuk memudahkan kontrol proses fermentasi dari kontaminasi mikroorganisme, mempunyai kendala bahwa konsentrasi etanol yang dihasilkan sangat rendah karena produksi etanol yang terakumulasi akan meracuni mikroorganisme pada proses fermentasi. Akumulasi dari produk terlarut yang bersifat racun akan menurunkan secara perlahan-lahan dan bahkan dapat menghentikan pertumbuhan serta produksi dari mikroorganisme (Minier dan Goma, 1982). Sehingga untuk menghindari kendala konsentrasi etanol yang dihasilkan sangat rendah karena produksi etanol yang terakumulasi akan meracuni mikroorganisme pada proses fermentasi secara batch, maka pada peneltian ini juga dilakukan proses fermentasi secara kontinyu, kemudian membandingkan hasil proses fermentasi keduanya
Penelitian – penelitian terkait dengan produksi etanol antara lain : W.Grote, K.J Lee dan P.L Rogers
(1980), Continous Ethanol Production By Immobilized Cells of Zymomonas Mobilis. Pada penelitian ini sugar cane juice mengalami proses fermentasi dengan immobilisasi cell Zymomonas Mobilis menggunakan Ca-alginate dan κ – karaginan. Kondisi media PH = 5 dan temperatur 30 0C. Konsentrasi mula-mula immobilisasi cell Zymomonas Mobilis = 28.6 g/l dengan konversi dari konsentrasi glukosa 150 g/l pada rate larutan 0.3/h. Pada cell immobilisasi dengan Ca-alginat, produktifitas maksimal = 44 g/l/h pada rate larutan 0.85 /h. Sedangkan pada cell immobilisasi dengan κ-Karaginan, produktifitas maksimal = 53 g/l/h pada rate larutan 0.80 /h.
M. Minier dan G. Goma, (1981), Ethanol Production by Extractive Fermentation. Dalam ekstraksi
liquid-liquid fermentasi produk inhibitor diambil dengan menggunakan solvent. Dalam percobaan ini solvent yang digunakan adalah dodecanol. Fermentasi alcohol di capai pada suhu 35 0C menggunakan
Saccharomyces cerevisiae, adsorbansi sel sebagai referensi. Hasil dari penelitian pada konsentrasi glukosa 409 g/L
menunjukkan bahwa total produksi etanol sebesar 0.85 g/l h sedangkan jika menggunakan konvensional fermentasi hasil yang terbentuk hanya sebesar 0.27 g/l h.
M.R Aires Baros, JMS Cabral & JM Novais, (1986), Production of Ethanol by Immobilized
Saccharomyces Bayanus in an Extractive Fermentasion System. Pada sistem fermentasi-ekstraksi menggunakan immobilisasi sel Saccharomyces Bayanus dengan media κ – karaginan untuk mengembangkan produksi etanol pada konsentrasi gula tinggi, dengan mengubah variable konsentrasi gula 200 g/L, 300 g/L, dan 400 g/L.. Pada penelitian ini, solven yang digunakan adalah oleic acid. Hasil dari penelitian ini untuk produksi etanol secara batch maksimal dicapai pada konsentrasi glukosa 200 g/L sebesar 91.6 g/L. Pada kondisi secara kontinyu dengan immobilisasi menggunakan media κ – karaginan konsentrasi 4,5 % dicapai hasil yang maksimal pada saat konsentrasi glukosa 300 g/L sebesar 122 g/L dan stabil pada konsentrasi glukosa 400 g/L. Sedangkan dengan immobilisasi menggunakan media κ – karaginan konsentrasi 3,5 % dicapai hasil yang maksimal pada saat konsentrasi glukosa 300 g/L sebesar 122 g/L, kemudian mengalami penurunan pada konsentrasi glukosa 400 g/L menjadi 118 g/L.
Yekta Goksungur, (2001), Production of Ethanol from Beet Molases by Ca-Alginate Immobilized
Zymomonas mobilis Cells in a Packed-Bed Bioreactor. Percobaan ini dilakukan untuk menaikan yields dan menurunkan kadar gula residu. Dimana temperatur di jaga pada suhu 30°C, rate larutan 0,22 h-1. Maximum etanol (4,62%), yield teoritis (82,9%) dan volumetric productivity (10,16 gl-1h-1) didapat dari beet molases yang mengandung 10,90% gula total dengan 2,0-2,4 mm diameter beads yang berasal dari larutan sodium alginate 2%. Sebagai perbandingan untuk rate larutan constant 0,22 h-1 untuk 25 hari, konsentrasi etanol (3,94%), yield teorities (70,7%) dan produktivity (8,67 gl-1h-1) di dapat didalam continuous stirred bioreactor.
Mulyanto, (2002), Pengaruh Suhu terhadap Mikroba Zymomonas mobilis dan Saccaromices cerevisiae
pada Fermentasi Etanol dengan media Glukosa. Berdasarkan penelitian diketahui bahwa pada suhu 30 0C sampai 40 0C fermentasi dapat berlangsung dengan baik, sedangkan pada 45 0C fermentasi tidak berlangsung dengan baik pada suhu terakhir tersebut Zymomonas mobilis masih dapat hidup, namun Saccaromices cerevisiae sudah
mati. Produktivitas tertinggi diperoleh pada fermentasi dengan suhu 40 0C untuk
Zymomonas mobilis sebesar
1,7037 g/L.j, sedangkan Saccaromices cerevisiae diperoleh pada suhu 30 0C yaitu 1,1201 g/L.j. Pada suhu 30 0C
dihasilkan biomass Zymomonas mobilis dan Saccaromices cerevisiae terbesar dengan laju pertumbuhan spesifik
masing – masing untuk Zymomonas mobilis 1,687 kg sel.Kg sel-1j-1 dan Saccaromices cerevisiae sebesar 0,169
kg sel.Kg sel-1j-1. Hasil fermentasi yang relatif baik pada penelitian ini pada suhu 40 0C dengan yield etanol terhadap glukosa masuk sebesar 35,91% untuk Zymomonas mobilis, sedangkan untuk Saccaromices cerevisiae
terjadi pada suhu 30 0C dengan yield etanol terhadap glukosa masuk sebesar 17,29 %.
Untuk meningkatkan produktivitas etanol yang disertai dengan kualitas yang tinggi, maka dilakukan percobaan dengan teknik fermentasi dari molases secara kontinyu dengan menggunakan bakteri Zymomonas mobilis dengan teknik immobilisasi di media sel Ca-alginat dilanjutkan ekstraksi bioreaktor packed-bed.
2. Metodologi
Pelaksanaan penelitian meliputi : pretreatment molases, pembuatan starter, proses fermentasi dan proses ekstraksi
a. Pretreatment molases
Sebelum digunakan, molases yang diperoleh dari pabrik gula yang mempunyai kadar 50% diencerkan dengan aquadest sesuai dengan variabel yang telah ditentukan. Selanjutnya molases dibersihkan dari kotoran dengan menyaring kemudian menambahkan H2SO4 untuk mengendapkan CaSO4 dan mengontrol pH, setelah disterilisasi dalam autoclave.
b. Pembuatan Starter • Pengembangan kultur
Melarutkan 4 gram PDA dengan aquadest hingga volumenya 100 ml kemudian didihkan hingga semua agar melarut.dan memasukkan dalam tabung reaksi masing-masing 6 ml, menutup mulut tabung dengan kapas. Mensterilkan dalam autoclave pada suhu 121oC selama 15 menit, lalu mendinginkannya dengan posisi miring, setelah agar mengeras, mengambil biakan murni dengan kawat ose steril dalam incase. Menggoreskan kawat ose pada permukaan media agar yang baru dan menutup kembali dengan kapas kemudian menginkubasikan pada suhu 30oC.
Mencampur 1 liter molases encer (10, 8 %v/v) dengan (NH4)2SO4 5 gram, KH 2PO4 1,5 gram, MgSO4.7H2O 0,5 gram, kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H2SO4 sampai pH 4.
• Pembuatan Cell Immobilisasi
Mencampur media nutrisi yaitu, gukosa 15 gram, (NH4)4SO4 18 gram, Na2HPO4 10 gram, KH2PO4 5 gram, MgSO4.7H2O 5 gram dan yeast ekstrak 1 gram + biakan, kemudian dimasukkan dalam inkubator shaker selama 36 jam. Mencampur 50 ml media nutrisi dengan 50 ml larutan Na-alginat 4%, 6%, dan 8%. Kemudian 100 ml campuran Alginat-Cell ditambahkan dalam 1000 ml larutan CaCl2 2%, hingga larutan tersebut berbentuk padat. Setelah 30 menit, padatan yang terbrentuk dicuci dengan 0,85 % NaCl untuk mengurangi kelebihan ion – ion. Untuk meningkatkan pertumbuhan cell, diinkubasi semalam di dalam production medium dengan shaking selama 24 jam. Padatan disimpan di dalam 2% yeast ekstrak pada temperatur 4oC sampai cell digunakan.
c. Proses Fermentasi
Immobilisasi sel Ca-alginat yang terbentuk dimasukkan dalam tray dalam fermentor sesuai dengan konsentrasi yang telah divariabelkan. Molases steril yang telah divariabelkan (v/v) dialirkan dalam fermentor dengan rate sesuai variabel. Mengalirkan larutan hasil fermentasi (brooth) ke dalam kolom
ekstraktor dan sebagian brooth dialirkan kembali ke fermentor (di-recycle).
d. Proses Ekstraksi
Mengalirkan solvent ke dalam kolom ekstraktor untuk dikontakkan dengan brooth dari fermentor. Hasil
ekstraksi dianalisa dengan refraktometer untuk analisa indeks bias dan setelah mencapai keadaan steady, sampel di analisa dengan GC (Gas Cromatogafi).
Set-Up Peralatan Penelitian
Keterangan : 1 Molases 2 Fermentor 3 Ca-Alginat
4 Broth produk fermentor 5 Ekstraktor 6 Packed bed 7 Ekstrak 8 Solvent 9 Pompa peristaltik 10 Rafinat 11 Statif
3. Hasil dan Diskusi
1 Fermentasi Konvensional ( secara batch )
1.1. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Hasil Etanol
Tabel 1. Hasil Pengamatan Fermentasi dengan Konsentrasi Glukosa dalam Molases 10 % v/v secara Batch Jam ke- Jumlah Sel (sel/ml) Sel Kering (g/10ml) Kadar etanol (g/L ) Yield % Produktivitas (g/L.J) 4 1,46.106 2,40.106 1,43 1.42 0,00 8 1,96.106 5,50.106 1,86 1.88 0,01 16 1,96.106 5,80.106 3,08 3.54 0,03 24 2,00.106 9,00.106 4,23 5.79 0,06 32 2,13.106 9,30.106 6,77 13.27 0,12 40 2,54.106 9,80.106 6,96 14.50 0,15 48 2,79.106 1,33.106 7,34 22.24 0,20 50 3,29.106 2,51.106 7,39 23.09 0,21 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 60
Waktu Fermentasi (Jam)
K a d a r E tan ol ( g /L ).
Gambar 2. Kadar Etanol (g/L) Vs Waktu Fermentasi (jam) pada Konsentrasi Glukosa dalam Molases 10 % Proses fermentasi berlangsung selama 50 jam pada kondisi fakultatif anaerob. Dari gambar 1 terlihat bahwa produksi etanol meningkat secara berkala seiring dengan bertambahnya waktu mulai jam ke-0 sampai jam ke-48. Pada jam ke-16 sampai jam ke-32 terjadi peningkatan kadar etanol yang cukup tinggi hal ini disebabkan karena bertambahnya jumlah sel Zymomonas mobilis yang sedang dalam tahap pertumbuhan/ memasuki fase
eksponensial. Dengan semakin bertambahnya jumlah sel tersebut maka Zymomonas mobilis yang akan
memfermentasi glukosa akan semakin banyak, sehingga kadar etanol akan meningkat. Produksi etanol mulai mencapai kondisi steady state dimulai saat jam ke-48 dan berakhir pada jam ke-50 sehingga dapat dikatakan bahwa 50 jam adalah merupakan waktu maximal yang dicapai oleh Zymomonas mobilis untuk mengkonversi
glukosa menjadi etanol. Untuk mendapatkan produktivitas etanol yang optimal dan efisien dengan cara konvesional (proses secara batch) memiliki kendala, karena pada konsentrasi tertentu etanol dapat meracuni bakteri, akibatnya dapat menghambat produktivitas pembentukan etanol. Guna mengatasi masalah tersebut digunakan suatu proses alternatif yaitu fermentasi secara kontinyu yang dilanjutkan dengan ekstraksi.
3.11 5.70 7.39 0 2 4 6 8 4 8 10
Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%)
Ka d a r E ta n o l ( g /L ).
Gambar 3. Kadar Etanol pada Berbagai Konsentrasi Glukosa dalam Molases
Pada gambar 3, gambar 4 dan gambar 5 diketahui bahwa pada konsentrasi glukosa 10% kadar, yield, dan konsentrasi etanol yang dihasilkan lebih besar dibandingkan dengan yang dihasilkan pada konsentrasi glukosa 8% dan 4% hal ini disebabkan pada konsentrasi glukosa 10% mempunyai kepekatan glukosa lebih tinggi
daripada konsentrasi glukosa 8% dan 4%. Sehingga, pada konsentrasi glukosa 10% terjadi pertambahan jumlah sel zymomonas mobilis yang menyebabkan kemampuan untuk pengkonversian etanol menjadi bertambah.
1.2. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Yield Etanol
Yield merupakan perbandingan banyaknya produk etanol dengan gula (substrat) yang digunakan.
10.36 19.00 23.09 0 10 20 30 40 50 60 4 8 10
Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%)
Y ie ld E tan ol ( % )
Gambar 4. Yield Etanol pada Berbagai Konsentrasi Glukosa dalam Molases 1.3. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Produktivitas Etanol
0.09 0.16 0.21 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 4 8 10
Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%)
P ro dukt iv it as E tano l (g /L .j )
Gambar 5. Produktivitas Etanol pada Berbagai Konsentrasi Glukosa dalam Molases 2 Fermentasi Kontinyu
2.1. Pengaruh Konsentrasi Ca-Alginat terhadap Kadar Etanol
21,303 41,028 53,652 0 10 20 30 40 50 60 4 8 10 Konsentrasi Glukosa (%v/v) K ad a r E tan ol ( g/ L ). Ca-alginat 4% Ca-alginat 6% Ca-alginat 8%
Gambar 6. Kadar Etanol (g/L) Vs Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%v/v) pada Konsentrasi Ca-alginat 4, 6, 8 (%w/v)
Dari gambar 6, gambar 7 dan gambar 8 pada masing-masing konsentrasi glukosa diperoleh kadar, yield, dan produktivitas etanol terendah pada konsentrasi Ca-alginat 8 % hal ini disebabkan terlalu pekatnya konsentrasi Ca-alginat yang mengakibatkan sulitnya molases untuk difermentasi menjadi etanol karena terhalang oleh dinding immobilisasi sel Ca-alginat yang terlalu kuat. Sedangkan pada konsentrasi Ca-alginat 6% didapatkan kadar, yield, dan produktivitas etanol tertinggi pada masing-masing konsentrasi glukosa, hal ini disebabkan oleh adanya konsetrasi Ca-alginat yang sesuai menyebabkan kestabilan ikatan antar molekul sehingga dapat menghasilkan kadar etanol yang optimum.
2.2. Pengaruh Konsentrasi Ca-Alginat terhadap Yield Etanol 49,773 47,930 50,142 0 10 20 30 40 50 60 4 8 10 Konsentrasi Glukosa (%v/v) Yi el d E tan ol ( % ). Ca-alginat 4% Ca-alginat 6% Ca-alginat 8%
Gambar 7. Yield Etanol (%) Vs Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%v/v) pada Konsentrasi Ca-alginat 4, 6, 8 (%w/v)
2.3. Pengaruh Konsentrasi Ca-Alginat terhadap Produktivitas Etanol 12,876 9,847 5,113 0 2 4 6 8 10 12 14 4 8 10 Konsentrasi Glukosa (%v/v) P ro d u k ti v ita s E tan ol ( g/ L .J) . Ca-alginat 4% Ca-alginat 6% Ca-alginat 8%
Gambar 8. Produktivitas Etanol Vs Konsentrasi Glukosa dalam Molases (%v/v) pada Konsentrasi Ca-alginat 4, 6, 8 (%w/v)
2.4. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Kadar Etanol
52,074 53,652 41,817 0 10 20 30 40 50 60 4 6 8 % Ca-Alginat (%w/v) K ad ar E tan ol ( g/ L ). Molases 4% Molases 8% Molases 10%
Gambar 9. Kadar Etanol (g/L) Vs Konsentrasi Ca-alginat (%w/v) pada Konsentrasi Glukosa 4, 8, 10 (%v/v) Berdasarkan gambar 9, gambar 10 dan gambar 11, didapatkan kadar, yield dan produktivitas etanol yang tinggi pada saat konsentrasi gula dalam molases 10 % (%v/v) jika dibandingkan pada saat konsentrasi gula 4 %, 8 %, hal ini dikarenakan pada konsentrasi glukosa yang lebih tinggi maka tersedia lebih banyak bahan yang dibutuhkan untuk dikonversikan menjadi etanol sehingga produk akhir sebagai etanol pun akan bertambah
2.5. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Yield Etanol 48,667 50,142 39,081 0 10 20 30 40 50 60 4 6 8 % Ca-Alginat (%w/v) Y ie ld E tan ol ( % ). Molases 4 % Molases 8 % Molases 10 %
Gambar 10. Yield etanol (%) Vs Konsentrasi Ca-Alginat (%w/v) pada Konsentrasi Glukosa dalam Molases 4, 8,10 (%v/v)
2.6. Pengaruh Konsentrasi Glukosa dalam Molases terhadap Produktivitas Etanol
12,498 12,876 10,036 0 2 4 6 8 10 12 14 4 6 8 % Ca-Alginat (%w/v) P rod u k ti vi tas E ta n o l ( g /L .J ). Molases 4% Molases 8% Molases 10%
Gambar 11. Produktivitas etanol Vs Konsentrasi Ca-alginat (%w/v) pada Konsentrasi Glukosa dalam Molases 4, 8,10 (%v/v)
4. Kesimpulan
Dari hasil penelitian maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Kadar etanol yang dihasilkan dari fermentasi kontinyu lebih baik dari fermentasi secara batch ditinjau dari kadar etanol yang dihasilkan dalam proses fermentasi untuk fermentasi kontinyu sebesar 52.074 g/L, fermentasi batch sebesar 7,39 g/L, dari yield etanol pada fermentasi kontinyu yield sebesar 50.14 %, sedangkan pada fermentasi batch yield sebesar 23 %, serta produktivitas etanol pada fermentasi kontinyu produktivitas sebesar 12,876g/lt.J sedangkan pada fermentasi batch produktivitas sebesar 0,205 g/lt.J.
2. Konsentrasi Ca-alginat dan konsentrasi glukosa dalam molases yang digunakan dapat berpengaruh terhadap kadar etanol, yield dan produktivitas dimana pada konsentrasi Ca-alginat 6 % w/v dan konsentrasi glukosa dalam molases 10 % v/v merupakan konsentrasi maksimal yang dapat menghasilkan etanol yang lebih tinggi.
DAFTAR PUSTAKA
1. Goksungur, Yekta. Nese Zorlu, Production of Ethanol From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreaktor. Turkey, 2000.
2. Minier, M, and Goma, G, Ethanol Production by Extractive Fermentation, J Biotechnology and
Bioengineering, 34, 1565-1579,1981.
3. M.R Aires Baros, JMS Cabral & JM Novais, Production of Ethanol by Immobilized Saccharomyces
Bayanus in an Extractive Fermentasion System, 1986.
4. Mulyanto, Pengaruh Suhu terhadap Mikroba Zymomonas mobilis dan Saccaromices cerevisiae pada
5. W. Grote, K.J Lee dan P.L Rogers, Continuous Ethanol Production by Immobilized Cells of Zymomonas Mobilis, 1980.
