BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengaruh Konsentrasi Urea terhadap Perolehan Etanol

Pada penelitian ini mikroorganisme yang digunakan adalah

Saccharomyces cerevisiae yang diperoleh dari ragi roti. Proses fermentasi etanol

berlangsung secara batch. Dalam medium fermentasi terdapat berbagai unsur

diantaranya unsur C yang didapat dari substrat yang mengandung karbon berupa

reject nanas, unsur N dengan penambahan pupuk yang mengandung nitrogen

yaitu urea, dan unsur P dengan penambahan pupuk yang mengandung fosfor yaitu

superfosfat. Unsur-unsur tersebut digunakan oleh mikroorganisme untuk

pertumbuhan dan perkembangbiakannya. Saccharomyces cerevisiae mengandung

8.5 % nitrogen; 1.1 % fosfor; dan 2.1 % kalium [Bu’lock dan Kristiansen, 1987;

dan Chen dan Chiger, 1985 dalam Hermawan, 2003]

Produksi etanol dilakukan untuk menentukan konsentrasi urea optimum

sebagai sumber nitrogen untuk nutrisi bagi Saccharomyces cerevisiae. Data yang

diperoleh ditampilkan dalam bentuk grafik, yaitu dengan mengalurkan konsentrasi

glukosa, perolehan etanol, dan berat sel kering pada berbagai konsentrasi urea

terhadap waktu fermentasi. Pada medium fermentasi terdapat konsentrasi glukosa

sebanyak 16% berat/volume yang diperoleh dari reject nanas di perkebunan nanas

rakyat daerah Rimbo Panjang Kec. Kampar, Riau dan sumber fosfor 0.06%

berat/volume dari superfosfat.

Dalam penelitian ini dilakukan variasi konsentrasi urea di dalam substrat

dan pengamatan fermentasi terhadap waktu pengambilan sampel. Secara umum,

hubungan antara waktu fermentasi (jam) terhadap konsentrasi glukosa (%) pada

berbagai konsentrasi urea dapat ditunjukkan pada Gambar 4.1.

31

32

Gambar 4.1. Kurva Hubungan Antara Waktu Fermentasi (jam) Terhadap

Konsentrasi Glukosa (%) Pada Berbagai Konsentrasi Urea

Pada Gambar 4.1 di atas terlihat bahwa semakin lama waktu fermentasi,

konsentrasi glukosa yang ada semakin berkurang. Hal ini menunjukkan adanya

penggunaan glukosa sebagai sumber karbon oleh Saccharomyces cerevisiae

sehingga menghasilkan etanol sebagai metabolit primer dan penggunaan urea

sebagai sumber nitrogen untuk memenuhi nutrisinya. Waktu fermentasi adalah

120 jam dan selama waktu itu, glukosa terus digunakan namun tidak sampai

habis. Hal tersebut terjadi pada semua variabel.

Penurunan konsentrasi glukosa tersebut terjadi karena Saccharomyces

cerevisiae membutuhkan substrat dalam pertumbuhan, baik untuk

perkembangbiakan maupun mempertahankan hidup sel. Perolehan etanol pada

penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 4.2.

33

Gambar 4.2. Kurva Hubungan Antara Waktu Fermentasi (jam) Terhadap

Konsentrasi Etanol (%) Pada Berbagai Konsentrasi Urea

Pada Gambar 4.2 diketahui bahwa waktu fermentasi berpengaruh terhadap

kadar etanol yang dihasilkan. Hasil yang didapat menunjukkan kadar etanol

optimum sebesar 13% dengan konsentrasi urea 0.5% pada waktu fermentasi 84

jam. Hal ini karena dengan penambahan urea sebagai sumber nitrogen akan

meningkatkan pH medium fermentasi sehingga semakin lama proses fermentasi

menyebabkan banyak etanol yang teroksidasi menjadi asam-asam organik dan

CO2 sehingga mengakibatkan kadar etanol yang semakin berkurang [Tarigan,

2001].

4.2 Pengaruh Konsentrasi Urea terhadap Konsentrasi Sel

Pada penelitian ini, konsentrasi urea yang dipilih adalah 0.3%, 0.4%,

0.5%, 0.6% dan 0.7% berat/volume. Secara umum, hubungan antara waktu

fermentasi (jam) terhadap konsentrasi sel (%) pada berbagai konsentrasi urea

dapat ditunjukkan pada Gambar 4.3.

34

Gambar 4.3. Kurva Hubungan Antara Waktu Fermentasi (jam) Terhadap

Konsentrasi Sel (%) Pada Berbagai Konsentrasi Urea

Gambar 4.3 di atas menunjukkan bahwa penambahan urea akan

mempengaruhi produksi sel. Dari grafik tersebut terlihat bahwa perolehan sel

tertinggi adalah 8.40 gr/L pada konsentasi urea 0.7% dan terendah adalah 2.25

gr/L pada konsentasi urea 0.5%. Artinya, semakin besar konsentrasi urea yang

ditambahkan maka produksi sel cenderung meningkat.

Dengan adanya peningkatan konsentrasi urea, maka yeast Saccharomyces

cerevisiae akan mendegrasinya menjadi ammonia dan CO2 [Cooper dan Sumrada,

1975 dalam Hermawan, 2003]. Terbukti dari hasil penelitian yang dilakukan

Sedha, dkk., (1984) menunjukkan bahwa penambahan konsentrasi urea akan

meningkatkan jumlah sel yang hidup. Hal ini terjadi karena kebutuhan nutrisi

mikroorganisme akan semakin terpenuhi sehingga pertumbuhannya menjadi lebih

baik.

Saccharomyces cerevisiae yang diperoleh dari ragi roti digunakan

langsung dan diadaptasikan dengan substrat ketika proses pembuatan inokulum.

Sehingga, fase adaptasi sel terjadi pada saat Saccharomyces cerevisiae

dikembangkan dalam inokulum yaitu antara selang waktu 0 sampai 12 jam. Fase

antara 12 sampai 84 jam disebut juga fase eksponensial (exponential phase).

35

Sedangkan pada waktu fermentasi lebih dari 84 jam terlihat kecenderungan

konsentrasi sel menurun. Hal ini dikarenakan mikroorganisme mengalami

kematian yang diakibatkan oleh berkurangnya nutrisi berupa urea sebagai sumber

nitrogen pada medium fermentasi (stationary phase) [Ahmad, 1993].

4.3 Produksi Bioetanol

Dalam fermentasi etanol, Saccharomyces cerevisiae menggunakan

substrat untuk memproduksi bioetanol sebagai metabolit primernya. Efisiensi

penggunaan substrat untuk produksi bioetanol dinyatakan dalam yield bioetanol

(dapat dilihat pada Gambar 4.4).

Gambar 4.4. Kurva Hubungan antara Waktu Fermentasi (jam) terhadap Yield

Bioetanol (%) pada Berbagai Konsentrasi Urea

Pada Gambar 4.4 terlihat bahwa dengan adanya penambahan konsentrasi

urea akan menunjukkan peningkatan berarti untuk yield bioetanol yang dihasilkan.

Pada variabel dengan konsentrasi urea 0.3%, 0.4%, 0.5% dan 0.7% diperoleh nilai

yield etanol tertinggi yang sama pada jam ke 84 yaitu berturut-turut sebesar

7.33%, 6.67%, 8.67%, dan 8.00%. Sedangkan untuk konsentrasi urea 0.6%

36

didapatkan nilai yield bioetanol tertinggi pada waktu 72 dan 84 jam sebesar 7.33%

Pada akhir periode analisa didapatkan nilai yield etanol tertinggi yaitu 8.67% pada

konsentrasi urea 0.5% dalam waktu 84 jam.

4.4 Model Kinetika Fermentasi Etanol Reject Nanas

Kinetika pertumbuhan dapat digambarkan sebagai fungsi dari konsentrasi

sel pada saat itu. Model kinetika pertumbuhan dapat dipaparkan menggunakan

model matematik yang berdasarkan anggapan bahwa sel sebagai satu kesatuan

dari beberapa komponen yang mempunyai sifat dan keadaan rata-rata hampir

sama sehingga dipandang sebagai komponen tunggal. Model sederhana yang

menggambarkan pertumbuhan pada proses fermentasi batch adalah model tak-

terstruktur. Model ini menganggap bahwa sel ditinjau sebagai komponen tunggal

dan hanya ada satu variabel yang berubah dalam media selama fermentasi

berlangsung [Bailey dan David, 1986 dalam Ahmad, 1990].

Pada sistem fermentasi batch, posisi substrat akan berubah setiap waktu

dan produk metabolit terus terbentuk. Akibatnya, lingkungan mikroorganisme

tidak dalam keadaan tunak. Sebagian besar fermentasi batch berlangsung pada

laju pertumbuhan spesifik yang konstan dan tidak tergantung pada perubahan

konsentrasi nutrisi. Tetapi laju pertumbuhan merupakan fungsi konsentrasi

substrat. Monod (1949) mendefinikan persamaan yang menggambarkan

hubungan antara laju pertumbuhan spesifik dan konsentrasi substrat yaitu sebagai

berikut:

……………………………. (pers 4.1)

dengan,

= laju pertumbuhan spesifik (jam-1)

37

= laju pertumbuhan spesifik maksimum (jam-1)

S = konsentrasi substrat (g/L)

= konstanta kejenuhan substrat (g/L)

Model kinetika fermentasi etanol reject nanas ini menurut model tak-

terstruktur dijelaskan di bawah ini, yaitu:

4.4.1 Parameter Kinetika Pertumbuhan

Parameter kinetika pertumbuhan ditentukan dengan metoda regresi linier

menggunakan microsoft excel. Hasil yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 4.1

berikut ini:

Tabel 4.1. Parameter Kinetika Pertumbuhan

S Ks µmaks

0.3 1175.953 0.071

0.4 1747.355 0.092

0.5 2068.831 0.093

0.6 3065.632 0.116

0.7 4801.996 0.159

Pada Tabel 4.1 terlihat bahwa konstanta kejenuhan substrat (Ks) yang

diperoleh termasuk kriteria S < 10 Ks [Wang, 1978 dalam Ahmad, 1990], berarti

laju spesifik pertumbuhan merupakan fungsi dari konsentrasi substrat. Harga Ks

besar menyatakan bahwa afinitas antara sel dengan substrat kecil. Hal ini

disebabkan karena substrat yang digunakan mempunyai komposisi yang

kompleks sehingga diperlukan perlakuan awal yang dapat menghilangkan

inhibitor organik dan anorganik sedangkan pada penelitian ini tidak dilakukan

penghilangan inhibitor. Saccharomyces cerevisiae dalam substrat reject nanas

38

perlu dilakukan adaptasi untuk memperpendek fasa lag dalam fermentasi dan

bertujuan untuk mengkondisikan Saccharomyces cerevisiae tahan hidup dengan

konsentrasi nutrisi yang cukup sehingga pertumbuhan Saccharomyces cerevisiae

tidak terhambat.

4.4.2 Laju Pemanfaatan Substrat

Hasil dari pemanfaatan substrat dengan variasi konsentrasi urea sebagai

sumber nitrogen dapat dilihat pada Tabel 4.2 berikut ini:

Tabel 4.2. Pemanfaatan Substrat

Konsentrasi Urea(%)

Konsentrasi Sel(g/L)

Substrat yang Terkonsumsi

(%)

Substrat yang Menjadi Produk

(%)

0.3 7.35 14.02 110.4 7.40 13.83 100.5 7.30 13.45 130.6 8.17 13.22 110.7 8.40 12.95 12

Tabel 4.2 menunjukkan bahwa dengan meningkatnya konsentrasi urea

sebagai sumber nitrogen maka menyebabkan terjadinya peningkatan konsentrasi

sel. Namun, dengan meningkatnya konsentrasi sel, ada kecenderungan perolehan

substrat yang menjadi produk (etanol) juga semakin meningkat walaupun substrat

yang terkonsumsi (glukosa) semakin berkurang. Artinya, urea sebagai sumber

nitrogen dimanfaatkan oleh mikroorganisme Saccharomyces cerevisiae untuk

pertumbuhan dan perkembangbiakan sel. Dengan adanya jumlah konsentrasi urea

sebagai sumber nitrogen yang berlebih, maka menyebabkan mikroorganisme lebih

mengutamakan pada pembentukan sel daripada pembentukan produk sebagai

metabolit primer. Hal ini terlihat pada saat konsentrasi urea 0.7% menghasilkan

substrat yang menjadi produk sebesar 12%, dimana hasil ini lebih kecil daripada

konsentrasi urea 0.6% yang hanya menghasilkan substrat yang menjadi produk

39

sebesar 11%. Hasil yang dilakukan Sedha, dkk (1984) juga menunjukkan bahwa

penambahan urea meningkatkan jumlah sel yang hidup.

Unsur-unsur nutrisi yang dibutuhkan mikroorganisme untuk pertumbuhan

dan perkembangbiakan (berupa unsur karbon, nitrogen, fosfor, dan sebagainya)

harus ada dalam rasio yang tepat agar tercapai pertumbuhan sel yang optimal.

Rasio C:N tergantung dari kontaminan yang ingin didegradasi, mikroorganisme

serta jenis nitrogen yang digunakan. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa

rasio C:N:P optimum adalah 100:5:1 [Herlambang, 1999]. Jika rasio C:N yang

rendah (kandungan unsur N yang tinggi) akan meningkatkan emisi dari nitrogen

yang dapat menhalangi perkembangbiakan mikroorganisme. Sedangkan rasio C:N

yang tinggi (kandungan unsur N yang relatif rendah) akan menyebabkan proses

degradasi berlangsung lebih lambat karena urea sebagai sumber nitrogen akan

menjadi faktor penghambat [Alexander, 1994 dalam Wulan, 2006].

4.4.3 Laju Pembentukan Produk

Fermentasi etanol dari reject nanas ini jika diperhatikan profil

pertumbuhan dan pembentukan produk dapat digolongkan kedalam fermentasi

“tipe I” yaitu pola pertumbuhan yang diikuti oleh pembentukan produk (growth

associated). Wang, dkk (1979) menyatakan bahwa fermentasi yang mengikuti

pola ini antara lain fermentasi glukosa yang menghasilkan etanol secara

anaerobic, proses fermentasi penghasil asam-asam amino dan fermentasi

penghasil vitamin-vitamin.

40

Gambar 4.5. Fermentasi ‘tipe I’ [Ahmad, 1990]

4.5 Pengaruh Perbedaan Sumber Nutrisi pada Perolehan Etanol

Dari penelitian-penelitian yang dilakukan sebelumnya, konsentrasi etanol

yang didapat berbeda-beda. Perbandingan penelitian ini dapat dilihat pada Tabel

4.4. Penelitian dilakukan dengan sumber nutrisi dan konsentrasi yang berbeda.

Tabel 4.3. Perbandingan Perolehan Etanol dengan Perbedaan Sumber Nutrisi

SubstratSumber Nutrisi

MikroorganismeKonsentrasi

UreaPerolehan

EtanolReferensi

Glukosa dari Reject Nanas

Urea dan NPK

Saccharomyces cerevisiae

0.5% b/v 17%Sutikno, 2011

Glukosa dari Berkatul Beras Varietas C4

Nitrogen dan Fosfor - 5% b/v 2.663%

Rini, 2008

Glukosa dari Tetes Tebu

Urea dan NPK

- 0.5% b/v 7.27%Sulhana, 2009

Glukosa dari Reject Nanas

Urea dan Superfosfat

Saccaromyches cerivisiae

0.5% b/v 13%Penelitian ini

Pada penelitian ini terlihat bahwa hasil perolehan etanol lebih kecil dari

penelitian Sutikno (2011) dengan penggunaan sumber bahan baku yang sama

yaitu reject nanas. Sumber nutrisi yang digunakan adalah urea dan NPK,

41

sedangkan penelitian ini urea dan superfosfat. Dengan perbedaan sumber nutrisi

tersebut menghasilkan perolehan etanol yang berbeda pula. Perbedaan terutama

dapat dilihat dari sumber fosfor yang digunakan yaitu NPK sedangkan penelitian

ini menggunakan superfosfat. Sehingga, selain konsentrasi urea sebagai sumber

nitrogen untuk nutrisi mikroorganisme, sumber fosfor juga berpengaruh terhadap

perolehan etanol yang didapat.

Sementara itu Rini (2008) melakukan penelitian menggunakan glukosa

dari berkatul berkas varietas C4 dengan kondisi optimum diperoleh pada

konsentrasi nitrogen 5% dan fosfor 1%. Sedangkan Sulhana (2009) mendapat

kondisi optimum yaitu 0.5% untuk urea dan 0.1% untuk NPK dari kadar gula

pada substrat yaitu tetes tebu. Dapat dilihat bahwa perolehan etanol yang didapat

lebih kecil dibandingkan penelitian lainnya. Sehingga, selain sumber nutrisi yang

digunakan berbeda, sumber bahan baku sebagai substrat yang digunakan juga

dapat mempengaruhi perolehan etanol.

Dari penelitian-penelitian yang dilakukan sebelumnya, produk yang

didapat juga berbeda-beda. Perbandingan penelitian ini dapat dilihat pada Tabel

4.5. Penelitian dilakukan dengan sumber nutrisi yang berbeda.

Tabel 4.4. Perbandingan Yield Bioetanol dengan Perbedaan Sumber Nutrisi

SubstratSumberNutrisi

MikroorganismeYield

Bioetanol (%)Referensi

Glukosa dari Reject Nanas

Urea dan NPK

Saccharomyces cerevisiae

11.33Sutikno, 2011

Glukosa dari Limbah Nanas

Tanpa Penambahan Nutrisi

Saccharomyces ellipsoideus

8.07Hossain dan Fazliny, 2010

Glukosa dari Reject Nanas

Urea dan Superfosfat

Saccaromyches cerivisiae

8.67 Penelitian ini

Pada penelitian ini yield yang diperoleh lebih kecil dari penelitian yang

dilakukan Sutikno (2011) yang memperoleh yield optimum sebesar 11.33% pada

konsentrasi glukosa dalam substrat 16% dan waktu ferrmentasi 84 jam. Hal ini

disebabkan oleh perbedaan sumber nutrisi yang digunakan yaitu NPK dengan

superfospat sebagai sumber fosfor.

42

Namun untuk penelitian Hossain dan Fazliny (2010) yang memperoleh

yield optimum sebesar 8.07% pada pH 4, dengan suhu 30 oC, konsentrasi ragi 3

g/L dan waktu fermentasi 72 jam. Dapat dilihat bahwa nilai yield yang diperoleh

lebih kecil dibandingkan penelitian ini. Hal ini disebabkan oleh ketiadaan

penambahan nutrisi sehingga yield bioetanol yang dihasilkan kurang baik karena

pertumbuhan dan perkembangbiakan sel mikroorganisme juga bergantung pada

ketersediaan nutrisi yang ada.