SEMINAR NASIONAL SOEBARDJO BROTOHARDJONO X
Laboratorium Teknologi Biokimia, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS Sukolilo - Surabaya 60111 e-mail : ay_ratna@chem-eng.its.ac.id
Abstrak
Batch process of ethanol have some disadvantages like substrat and end product inhibition. Extractive Fermentation is a solution to solve those problems. This study aims to increase the yield and ethanol productivity by using continuous extractive fermentation in packed bed bioreactor
This study used immobillization technique of mutated Zymomonas mobilis in -Carrageenan as the porous matrix and the continuous fermentation process was integrated with liquid-liquid extraction. This process used molasses as the feedstock and 2 kinds of solvent. The initial glucose concentration was 160.4 g/L. Feed entered the fermentor with flow rate of 10mL/minutes, and broth from the fermentor was flowed to the extractor where the solvent was flowed counter currently with ratio of broth and solvent was 1:1. Raffinate was collected and flowed to the fermentor with recycle ratio 40%, 50%, 60%, and 70% with respect to the fresh feed.
The best solvent that give the higest %recovery, yield, and ethanol productivity is n-amylalcohol although it had the greatest inhibitory effect. With increasing recycle ratio of raffinate from 0% to 50%, the value of yield and ethanol productivity increase from 8.79% to 20.03% and 34,54 g/L.h to 118.16g/L.h.
Key Word: ethanol, molasses, immobillization cell, packed-bed bioreaktor, extractive-fermentation.
PENDAHULUAN
Peningkatan pertumbuhan ekonomi serta populasi dengan segala aktivitasnya akan meningkatkan kebutuhan energi di semua sektor pengguna energi. Konsumsi energi final meningkat dari 221,33 juta Setara Barel Minyak (SBM) pada tahun 1990 menjadi 489,01 juta SBM pada tahun 2003 atau meningkat sebesar 6,3% per tahun. Berdasarkan jenis energinya, konsumsi Bahan Bakar Minyak (BBM) merupakan konsumsi energi final terbesar. Pada tahun 2003 konsumsi BBM sebesar 329 juta SBM (67,7%), Bahan Bakar Gas (BBG) sebesar 63 juta SBM (13,0%), listrik sebesar 55 juta SBM (11,3%), batubara sebesar 31 juta SBM (6,4%), dan LPG sebesar 8 juta SBM (1,6%). Sebagian besar konsumsi BBM digunakan untuk sektor transportasi.
Peningkatan kebutuhan energi tersebut harus didukung adanya pasokan energi jangka panjang secara berkesinambungan, terintegrasi, dan ramah lingkungan. Pasokan energi diusahakan berasal dari sumber energi dalam negeri dan dari impor dari negara lain apabila pasokan energi dalam negeri tidak mencukupi. Mengingat potensi sumberdaya minyak bumi dan kemampuan kapasitas kilang di dalam negeri yang terbatas maka perlu dicarikan bahan bakar alternatif untuk substitusi BBM. Salah satu bahan bakar alternatif yang dapat digunakan adalah gashohol. Pemakaian gashohol untuk mesin kendaraan berbahan bakar bensin mempunyai efek positif terhadap lingkungan, karena dapat menekan emisi CO2, CO,
hidrokarbon dan SOx.
Dalam pembuatan bioetanol, proses fermentasi batch merupakan proses secara konvensional, dimana proses ini memiliki beberapa kelemahan seperti inhibisi dari substrat dan produk. Jika konsentrasi substrat terlalu tinggi, maka itu akan menghambat proses fermentasi (Cheng dan Wang, 2007). Proses fermentasi batch menghasilkan etanol dengan konsentrasi maksimum 12% (v/v) karena mikroorganisme pada proses fermentasi tidak tahan pada konsentrasi etanol yang tinggi. Sebagai tambahan, karena penurunan konsentrasi etanol, produktivitas pada proses batch terbatas karena konsentrasi etanol yang tinggi pada broth hasil fermentasi dapat menurunkan laju pembentukan etanol (Minier dan Goma, 1982).
Proses fermentasi kontinyu merupakan suatu alternatif yang dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan pada proses fermentasi batch. Proses fermentasi kontinyu dapat meningkatkan laju pembentukan etanol. Namun demikian, proses ini tidak dapat digunakan dengan densitas biakan sel yang tinggi, dimana konsentrasi etanol yang dihasilkan rendah dan banyak kehilangan substrat sisa (Cheng dan Wang, 2008). Pengambilan produk secara ekstraksi merupakan suatu fakta yang cukup menarik pada kasus semacam ini karena ini dapat mengatasi atau menghilangkan inhibisi dari produk secara in situ melalui suatu ekstraksi pelarut (Daugulis dkk, 1987). Fermentasi ekstraktif juga dapat menurunkan energi pada proses distilasi berikutnya.
Ada beberapa jenis mikroorganisme yang digunakan dalam proses fermentasi etanol, beberapa contohnya adalah Saccharomyces cerevisiae (Martin dkk., 2002), Saccharomyces diastaticus (Ametha dan Gunasekaran, 2001), Leuconostoc oenos (Spettoli dkk., 1982) and Zymomonas mobilis (Monica dan Horst, 1989). Salah satu teknik pembuatan etanol adalah dengan immobilisasi sel (Yu dkk, 2010). Immobilisasi sel adalah penempatan dari sel secara lengkap pada suatu region of space tertentu untuk menjaga aktivitas katalitiknya. Proses ini memberikan keuntungan antara lain meningkatkan densitas sel dengan pengoperasian
dillution rate yang lebih tinggi dan menurunkan resiko kontaminasi pada reaktor. Ada 4 teknik immobilisasi sel yang telah sering digunakan yaitu , entrapment, attachment, cross-linking, dan containing cells behind a barrier (Pilkington dkk., 1998). Dari ke empat teknik immobilisasi sel tersebut, entrapment pada mariks polimer seperti calcium alginat, agar-agar (Bahera dkk, 2010), gelatin (Alteriis dkk, 1992), κ-carrageenan (Jang et al., 1996), dan lain sebagainya telah banyak dipelajari.
Beberapa peneliti telah memberikan urutan dari klasifikasi pelarut berdasarkan pada perbandingan perfoma dari eksperimen yaitu asam karboksilat > alkohol > ester > amine > ketone > ether > hydrocarbon. Alkohol adalah salah satu kelas pelarut yang lebih baik. Perbedaan struktur seperti posisi cabang dan ukuran memberikan pengaruh. Sebagai tambahan adalah posisi dari grup hidroksil memiliki efek yang signifikan pada performa yang seharusnya untuk memperpanjang struktur ikatan hidrogen dari molekul pelarut (Offeman dkk, 2008). Berdasarkan penelitian Offeman, pada proses fermentasi ekstraktif dari pati, tingkat toksisitas dari alkohol terhadap yeast, alkohol dengan berat molekul rendah (C2 sampai C10) adalah toksik atau sebagai inhibitor, sedangkan alkohol dengan berat molekul yang lebih besar tidak bersifat toksik.
Pada penelitian ini, proses fermentasi ekstraktif dilakukan pada dua kolom yang berbeda yaitu fermentor dan ekstraktor dimana keduanya dihubungkan dengan adanya aliran recycle dari rafinat ke ekstraktor. Tujuan dari penelitian ini adalah meningkatkan yield dan produktivitas dari etanol, memilih pelarut yang tepat, serta menentukan persen recycle yang optimum.
METODOLOGI
Mikroorganisme dan kultur media
Mikroorganisme yang digunakan adalah Zymomonas mobilis yang telah dimutasi menggunakan larutan hydroxylamine dan diperoleh dari Jurusan Kimia Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Media pengembangbiakan yang digunakan adalah Potato Dextrose Agar (PDA) yang telah disterilisasi dan ditempatkan pada tabung reaksi untuk dibuat permukaannya miring. Regenerasi dilakukan selama 2 minggu sekali. Biakan diinkubasikan pada suhu 30 oC selama 1-2 hari dan disimpan pada suhu 4 oC sampai siap
digunakan.
Feed yang digunakan berupa molases yang telah diencerkan, tiap liternya ditambahkan dengan nutrien yaitu 5,19 g (NH4)2SO4, 1.53 g KH2PO4 dan 0.55 MgSO4.7H2O, dimana konsentrasi glukosa awal
pada molases adalah 160,4 g/L. Larutan ini kemudian disterilisai pada autoclaf selama 15 menit.
Z. mobilis termutasi diambil dari biakan menggunakan kawat ose, kemudian diinokulasikan sebanyak 3 goresan ke dalam 100 mL media nutrisi (molases yang telah diencerkan dan ditambahkan dengan 10 gram yeast ekstrak 1 g (NH4)2SO4, 1 g KH2PO4, dan 0.5 g MgSO4.7H2O) dan diinkubasikan dalam
incubator shaker pada 30 oC selama 15 jam.
Pembuatan Immobilisasi sel
10 gram serbuk karaginan dilarutkan dalam 450 mL air dan dipanaskan hingga suhunya mencapai 70 oC selama 15 menit. Setelah proses pemanasan larutan karaginan larutan didinginkan hingga suhunya
mencapai 50 oC dan ditambahkan dengan 50 mL dari starter yang telah disiapkan sebelumnya. Larutan
kemudian dicetak menggunakan noozle dengan diameter 2 mm ke dalam larutan 3,5% KCl. Immobilisasi sel ini disebut bead. Kemudian bead yang telah terbentuk dicuci menggunakan 0,85% larutan NaCl untuk menghilangkan ion sejenisnya. Untuk meningkatkan pertumbuhan selnya, bead direndam dalam feed untuk diinkubasikan pada incubator shaker selama 24 jam.
Set up Peralatan Fermentasi Ekstraktif
Gambar 1. Skema sederhana proses fermentasi ekstraktif
Metode analisa untuk konsentrasi glukosa sisa dan konsentrasi etanol
Sampel untuk broth dan rafinat dianalisa kadar glukosa sisa dengan menggunakan metode DNS (Dinitro Salicilic Acid) dimana larutan DNS telah dibuat sebelumnya dengan metode standar dan dibuat kurva kalibrasinya. Sample diambil 0,2 mL dan diencerkan dengan aquades hingga volume 2 mL (pengenceran 10x) dalam tabung reaksi. Kemudian sampel ditambahkan dengan 3 mL larutan DNS. Larutan dalam tabung reaksi di homogenkan dengan menggunakan vortex mixer dan selanjutnya dipanaskan dalam air mendidih selama kurang lebih 15 menit. Selanjutnya, setelah proses pemanasan tabung reaksi direndam dalam air es untuk menghentikan reaksi. Kemudian larutan di analisa dengan spektrofotometer untuk dianalisa kadar glukosanya dari pengamatan besar absorbansinya. Spektrofotometer menggunakan UV visible dan panjang gelombang 540 nm pada suhu ruangan.
Konsentrasi etanol dianalisa dengan menggunakan gas kromatografi model GC7900 (Techno comp (holdings) Ltd., Shanghai, China (Mainland)), menggunakan Thermal Conductivity Detector (TCD) pada suhu 250 oC dan arus 20 mA. Gas carriernya berupa gas helium dengan kecepatan linear 15 cm/min pada 200 oC. Suhu inlet adalah 250 oC dengan metode pengoperasian standar.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Zymomonas mobilis digunakan karena mikroorganisme ini mampu menghasilkan yield etanol yang lebih tinggi dengan produksi biomas yang lebih sedikit sehingga rate metabolis glukosenya lebih tinggi jika dibandingkan dengan Saccharomyces cerevisiae. Zymomonas mobilis mampu menghasilkan yield teoritis sebesar 97% sedangkan pada Saccharomyces cerevisiae yield yang dapat dihasilkan adalah 90-93%. Selain itu karen ATP yang dihasilkan rendah, Zymomonas mobilis mampu mempertahankan fluks metabolisme dari glukosa yang lebih tinggi, dimana dari hal tersebut berpengaruh pada produktivitas etanol yang lebih tinggi (Bai dkk, 2008). Zymomonsa mobilis termutasi yang digunakan pada penelitian ini adalah dimutasi dengan menggunakan larutan hydroxylamine. Strain ini memiliki morfologi yang lebih besar dan gerakan yang lebih sedikit jika dibandingkan dengan Zymomonas mobili pada umumnya. Strain ini juga mampu bertahan pada kondisi asam (pH 4-5) dan suhu mencapai 50 oC.
Gambar 2 Pengaruh Recycle Ratio Terhadap Yield sistem overall
Pada eksperimen dengan menggunakan pelarut 1-dodecanol, nilai yield menurun secara drastis pada kenaikan yield dari 50% menjadi 60% dan akhirnya 70%. Rata-rata nilai yieldnya juga lebih rendah jika dibandingkan dengan eksperimen untul pelarut n-amyl alcohol. Offeman dkk (2008) menyatakan dalam studinya bahwa pada eksperimen untuk menentukan toksisitas pelarut, pada fermentasi batch dengan menggunakan campuran dari feed dan 1-dodecanol memberikan hasil etanol yang lebih rendah jika dibandingkan dengan hasil yang diperoleh Minier dan Goma (1982) atau Honda dkk. Hal ini mengimplikasikan jika meskipun 1-dodecanol memiliki tingkat inhibisi yang paling rendah pada eksperimen berdasarkan eksperimen evaluasi toksisitas pelarut terhadap mikroorganisme, 1-dodecanol memiliki kemampuan dalam mengekstrak etanol dari broth fermentasi paling rendah. Solubilitasnya yang rendah berarti masih banyak etanol yang tertinggal pada rafinat karena tidak dapat diekstrak dengan baik. Ketika rafinat direcycle atau dikembalikan pada fermentor, etanol terlarut pada rafinat akan menambah efek inhibisi pada solven itu sendiri.
Gambar 3 Pengaruh Recycle Ratio Terhadap Produktivitas sistem overall
Nilai produktivitas etanol juga ditentukan pada fermentor dan pada overall system dan hasilnya disajikan pada gambar 3. Produktivitas didefinisikan sebagai massa etanol yang diproduksi tiap satuan volume dan waktu. Produktivitas yang paling tinggi diperoleh pada eksperimen dengan pelarut n-amyl alcohol 118,16 g/L.jam untuk overall system untuk rasio recycle 50%. Pada kondisi ini dillution rate yang digunakan adalah 3,676 h-1 . Produktivitas untuk eksperimen dengan pelarut 1-dodecanol memberikan hasil
tertinggi 74,41 g/L.jam untuk sistem overall pada rasio recycle 50%. Kenaikan dari dillution rate akan menurunkan residence time sehingga waktu fermentasi pun juga akan menurun. Proses fermentasi yang terlalu cepat akan menghasilkan konsentrasi etanol yang rendah, selain itu jika laju alir dinaikkan, pompa peristaltik untuk mengalirkan feed tidak mampu melawan adanya back pressure karena gas CO2 yang
KESIMPULAN
Pelarut yang baik digunakan dalam proses fermentasi ekstraktif ini adalah n-amyl alkohol karena memberikan hasil yield dan produktivitas etanol yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan 1-dodekanol yaitu 20,03% dan 118,16 g/L.jam, sedangkan rasio recycle rafinat terhadap fresh feed yang paling optimum adalah 50%.
AKCNOWLEDGEMENT
Kami berterimakasih pada Institut Teknologi Sepuluh Nopember atas pendanaan untuk penelitian ini dan kepada anggota Laboratorium Teknologi Biokimia atas kerjasama yang bagus atas kerja tim yang bagus untuk menyelesaikan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Alteriis, E.D., Parascandola, P., Scardi, V., 1992. Ethanolic fermentation by yeast cells immobilized in polyaldehyde-hardened gelatin beads. Journal of Fermentation and Bioengineering. Volume 73, 73–75 Ametha, R., Gunasekaran, P., 2001. Production of ethanol from liquefied cassava starch using
co-immobilized cells of Zymomonas mobilis and Saccharomyces diastaticus. Journal of Bioscience and Bioengineering. Volume 92, 560–564
Bai F.W., Anderson W.A., Moo-Young M., 2008. Research review paper Ethanol fermentation technologies from glucose and starch feedstocks. Biotechnology Advances. 26, 89-105
Behera, S., Kar, S., Mohanty, R.C., Ray, R.C., 2010. Comparative study of bio-ethanol production from mahula (Madhuca latifolia L.) flowers by Saccharomyces cerevisiae cells immobilized in agar agar and Ca-alginate matrices. Applied Energy. Volume 87, 96–100
Cheng, H.C., Wang, F.S., 2007. Trade-off optimal design of a biocompatible solvent for an extractive fermentation process.Chemical Engineering Science. 62, 4316 – 4324.
Cheng, H.C., Wang, F.S., 2008. Optimal process/solvent design for ethanol extractive fermentation with cell recycling.Biochemical Engineering Journal. 41, 258–265
Cheng, H.C., Wang, F.S., 2008. Optimal biocompatible solvent design for a two-stage extractive fermentation process with cell recycling. Computers and Chemical Engineering 32: 1385–1396
Daugulis, A.J., Swaine, D.E., Kollerup, F., Groom, C.A., 1987. Extractive Fermentation – Integrated Reaction and Product Recovery. Biotechnology Letters. Vol 9 No 6: 425-430
Doelle, M.B and Doelle, H.W., 1989. Ethanol production from sugar cane syrup using Zymomonas mobilis. Journal of Biotechnology. Volume 11, 25–36
Goksungur, Y., Zorlu, N. 2000. Production of Ethanol From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed Bioreactor. Turk J Biol, 25: 265-275
Jang, K.H., Jung, S.J., Chang, H.S., Chun, U.H., 1996. Improvement of the process for sorbitol production with Zymomonas mobilis immobilised in κ-carrageenan. Process Biochemistry. Volume 31, 485–492 Mart nıı , C., Galbe, M., Wahlbom, C.F., Hahn-Hägerdal, B., Jönsson, L.J., 2002. Ethanol production from
enzymatic hydrolysates of sugarcane bagasse using recombinant xylose-utilising Saccharomyces cerevisiae. Enzyme and Microbial Technology. Volume 31, 274–282
Minier, M., Goma, G., 1982. Ethanol Production by Extractive Fermentation. Biotechnology and Bioengineering. vol. XXIV, Pp. 1565-1579
Offeman, R.D., Stephenson, S.K., Franqui D. Cline, J.L., 2008. Extraction of ethanol with higher alcohol solvents and their toxicity to Yeast. Separation and Purification Technology.63: 444–451
Ogbonna,. J.C., Mashima, H., Tanaka, H., 2001. Scale up of fuel ethanol production from sugar beet juice using loofa sponge immobilized bioreactor. Bioresource Technology. Volume 76, 1–8
Pilkington, P.H., Margaritis A., Mensour, N.A., Russel, I., 1998. Fundamentals of immobilised yeast cells for continuous Beer Fermentation: A Review. Institute of Brewing and Distilling. Vol. 104: 19-31
Roukas, T., 1994. Continuous ethanol production from carob pod extract by immobilized
Saccharomyces cerevisiae in a packed-bed reactor. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. Volume 59, 387–393,
Spettoli, P., Bottacin, A., Nuti, Marco P., Zamorani, A., 1982. Immobilization of Leuconostoc Oenos mL 34 in Calcium Alginate Gels and its Application to Wine Technology. Am. J. Enol. Viticvol. 33 no. 1 1-5 Yu, J., Yue. G., Zhong. J., Zhang, X., Tan, T., 2010. Immobilization of Saccharomyces cerevisiae to modified
CURRICULUM VITAE
SEMINAR NASIONAL SOEBARDJO BROTOHARDJONO X
“Pengembangan Industri Berbasis Sumber Daya Alam Nasional”Surabaya, 26 Juni 2012
1.
Nama Penulis : Ayu Ratna Permanasari, ST(Pelengkap dengan gelar akademik)
2.
Tempat / Tgl. Lahir : Blitar / 12 September 19903.
Alamat Instansi : Jurusan Teknik Kimia Kampus ITS SukoliloNo. Telp/Fax : 085646645487
e-mail : ay_ratna@chem-eng.its.ac.id
4.
Alamat Rumah : Jalan Suren 025.
Pendidikan : S26.
Alat yang diperlukan untuk presentasi :OHP LCD
Surabaya , 20 Mei 2013
(Ayu Ratna Permanasari)
NB. : Mohon data pribadi penyaji dikirimkan bersamaan Dengan pengiriman makalah lengkap.
