2009 vip

7/22/2019 2009 Vip

1/88

KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO

DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT

MENGGUNAKAN BIOREAKTOR

VENTY INDRIANI PAIRUNAN

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2009

7/22/2019 2009 Vip

2/88

PERNYATAAN MENGENAI TESIS

DAN SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Karakteristik Fermentasi Pulp

Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Biorekator adalah karya saya

dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun

kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip

dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah

disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir

tesis ini.

Bogor, Januari 2009

Venty Indriani Pairunan

NIM F051060041

7/22/2019 2009 Vip

3/88

ABSTRACT

VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Characteristic of Cocoa Pulp Fermentation in

Acetic AcidProduction using Bioreaktor. Under direction of USMAN AHMAD,

and TRESNAWATI PURWADARIA

Acetic acid is produced from two stages of fermentation. At the first stage,

in the anaerob condition sugars from the mixture of cocoa pulp and sucrose at

18% brix, was fermented with Saccharomyces cerevisiaeproducing ethanol. The

next stage was by oxidation in aerobic process, where ethanol was transformed to

acetic acid by Acetobacter aceti. The purpose of this research is to characterize

the kinetic changes of acetic acid production from cocoa pulp through alcohol

fermentation using batch and fed-batch fermentation added without and with

cellulase (0 and 13.8 U/l medium fermentation). Result showed that the highest

ethanol production was observed in 96 hours at 9.38% (w/v) max0.01, Y x/s 0.31,

Y p/s 0.53 by using fed-batch fermentation. Meanwhile the highest acetic acid

production was observed at 7.84% (w/v) max 0.01, Y x/s 0.30, Y p/s 0.77 byusing fed-batch fermentation.

Key words: Cocoa pulp, ethanol, acetic acid, batch / fed-batch, and cellulase.

7/22/2019 2009 Vip

4/88

RINGKASAN

VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam

Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor. Dibimbing oleh USMAN

AHMAD, dan TRESNAWATI PURWADARIA.

Kakao (Theobroma cacaoL.) merupakan salah satu komoditi ekspor non-

migas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam negeri

terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang

memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Salah satu kelemahan kakao

Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang terlalu tinggi sehingga

menghasilkan biji kakao yang kurang baik. Pengurangan jumlah pulp sebelum biji

kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman biji kakao. Pulp

kakao mengandung glukosa dan sukrosa antara 12-15%, asam-asam organik,

beberapa asam amino dan selulosa. Komposisi demikian cukup baik digunakan

dalam proses fermentasi untuk menghasilkan asam asetat.

Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik fermentasi pulpkakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol

menggunakan bioreaktor. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk

mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol

menggunakan kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim

selulase dalam bioreaktor.

Rancangan acak lengkap faktorial digunakan dalam penelitian ini apabila

terdapat perbedaan antar perlakuan dilanjutkan dengan uji Duncan Multiple

Range Test (DMRT). Medium fermentasi 1000 ml (pulp kakao diencerkan 3x

dengan medium Mandels ditambahkan sukrosa hingga kadar gula total substrat

18% Brix) dan inokulum Saccharomyces cerevisiae sebanyak 10% (v/v). Pada

fermentasi alkohol masing-masing perlakuan terdiri dari batch tanpa enzim

selulase; batch dengan penambahan selulase 13.8 U/l medium fermentasi; fed-batch tanpa enzim selulase, fed-batch dengan penambahan enzim selulase 13.8

U/l medium fermentasi. Selanjutnya etanol yang dihasilkan dari fermentasi

alkohol dalam bioreaktor dilanjutkan dengan fermentasi asam asetat dengan

menambahkan inokulumAcetobacter acetisebanyak 10% (v/v).

Hasil penelitian mengungkapkan bahwa S. cerevisiae dapat digunakan

untuk fermentasi alkohol karena pulp kakao mengandung kadar gula reduksi

sebesar 9.53% (b/v) dengan total padatan terlarut sebesar 18% brix, sedangkan

A. acetiBTCC-618 dapat digunakan untuk fermentasi asam asetat.

Kultur fed-batch dalam fermentasi alkohol pada medium pulp kakao

merupakan perlakuan terbaik dimana etanol yang dihasilkan sebesar 9.38% (b/v)

dengan max

0.01, Y p/s 0.53 dan Y x/s 0.31, sedangkan etanol yang dihasilkan

pada kultur batch sebesar 8.23% (b/v) dengan max 0.03, Y p/s 0.57 dan

Y x/s 0.65.

Produksi asam asetat yang dihasilkan dari substrat etanol hasil fermentasi

alkohol pada medium pulp kakao secara kultur fed-batch merupakan perlakuan

terbaik sebesar 7.84% (b/v) dengan max0.01, Y p/s 0.77 dan Y x/s 0.30.

7/22/2019 2009 Vip

5/88

Kombinasi penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l medium

fermentasi) pada kultur batch (jam ke-0) dan fed-batch (jam ke-48) dalam

medium pulp kakaotidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap kadar etanol

dan produksi asam asetat, demikian halnya dengan Y p/s dan Y x/s.

Kata kunci: Pulp kakao, etanol, asam asetat, batch/fed-batch, dan selulase.

7/22/2019 2009 Vip

6/88

Hak cipta milik IPB, tahun 2009

Hak cipta dilindungi Undang-undang

Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan

atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan

pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan

kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan

kepentingan yang wajar IPB

Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya

tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

7/22/2019 2009 Vip

7/88

KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO

DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT

MENGGUNAKAN BIOREAKTOR

VENTY INDRIANI PAIRUNAN

Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelarMagister Sains pada

Program Studi Teknologi Pascapanen

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2009

7/22/2019 2009 Vip

8/88

Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.)

7/22/2019 2009 Vip

9/88

Judul Tesis : Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi

Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor

Nama : Venty Indriani Pairunan

NIM : F051060041

Disetujui

Komisi Pembimbing

Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr. Dr. Tresnawati Purwadaria

Ketua Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana

Teknologi Pascapanen

Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr. Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.

Tanggal ujian : 16 Januari 2009 Tanggal lulus : 29 Januari 2009

7/22/2019 2009 Vip

10/88

PRAKATA

Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala limpahan kasih-Nya

sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan karya ilmiah yang berjudul

Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan

Bioreaktor.

Penghargaan yang tulus diberikan kepada Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.

dan Dr. Tresnawati Purwadaria sebagai ketua dan anggota komisi pembimbing

atas segala arahan, saran, masukan, dan bantuannya dalam penulisan karya

ilmiah. Disamping itu, penghargaan juga penulis sampaikan kepada

Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.) selaku penguji luar komisi.

Penulis bersyukur dan berterimakasih telah diberikan bantuan dalammelaksanakan penelitian oleh Prof. Dr. Ir. Hadi K. Purwadaria, M.Sc. dan

Dr. Ir. Sofyan Iskandar, M.Si selaku Kepala Balai Penelitian Ternak Ciawi Bogor

beserta staf. Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada staf Laboratorium

Bioindustri, Teknologi Industri Pertanian, IPB yang tidak dapat penulis sebutkan

satu per satu yang telah bersedia memberikan bantuan dan fasilitas selama

penelitian.

Doa dan kasih sayang yang senantiasa mengalir dari kedua orang tua tercinta

dr. Ishak Pairunan, SpA. dan Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. beserta kakakdan adik-adik Fredy Revanio Pairunan, SE., Edward Ronaldo Pairunan, dan

Lorenzo Pairunan untuk canda-tawa dan kasihnya yang selalu ada terimakasih.

Sahabat-sahabat di program studi Teknologi Pascapanen angkatan 2006

Ibu Ros, Ibu Nona, Kak Deva, Etha, Darmayanti (Almh.) dan angkatan 2007 serta

2008 semangat kebersamaan membuat kita menjadi saudara dalam menyelesaikan

studi.

Doa senantiasa penulis panjaatkan kepada Tuhan Yesus Kristus agar kasih

dan berkat serta damai sejahtera melimpah untuk kita semua AMIN.

Bogor, Januari 2009

Venty Indriani Pairunan

7/22/2019 2009 Vip

11/88

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Ujung Pandang pada tanggal 6 September 1981 dari

ayah dr. Ishak Pairunan, SpA. dan ibu Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. penulis

merupakan putri kedua dari empat bersaudara.

Tahun 2000 penulis tamat dari Sekolah Menengah Umum Gamaliel

Makassar dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk Universitas Hasanuddin

melalui jalur Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri. Penulis memilih program

studi Agronomi, Fakultas Pertanian dan Kehutanan dan lulus pada tahun 2005.

Tahun 2006 penulis berkesempatan melanjutkan studi magister sains program

studi Teknologi Pascapanen pada Sekolah Pascasarjana IPB Bogor.

7/22/2019 2009 Vip

12/88

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ...................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xiiDAFTAR LAMPIRAN ............................................................................. xiv

PENDAHULUAN

Latar Belakang ................................................................................... 1

Tujuan Penelitian ............................................................................... 3

TINJAUAN PUSTAKA

Pulp Kakao .......................................................................................... 4

Fermentasi Alkohol ............................................................................ 5

Fermentasi Asam Asetat .................................................................... 6

Enzim Selulase .................................................................................... 8

Bioreaktor .......................................................................................... 10

Tipe Fermentor ................................................................................... 11Sistem Operasi Bioreaktor ................................................................. 12

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi dalam

Bioreaktor .......................................................................................... 14

Kinetika Fermentasi ........................................................................... 15

METODE PENELITIAN

Waktu dan Tempat ............................................................................. 17

Bahan dan Alat ................................................................................... 17

Metode Penelitian .............................................................................. 18

Pelaksanaan Penelitian ....................................................................... 19

Parameter yang Diamati ..................................................................... 23

Rancangan Percobaan .......................................................................... 23HASIL DAN PEMBAHASAN

Penentuan Galur S.cerevisiae untuk Produksi Etanol ...................... 25

Penentuan Aerasi Kultur Batch dan Fed-Batch .............................. 26

Peningkatan Optimasi Kadar Gula pada Substrat ............................ 28

Fermentasi Alkohol KulturBatch ...................................................... 30

Fermentasi Alkohol Kultur Fed-batch ............................................... 35

Kinetika Fermentasi Alkohol ............................................................. 40

Produksi Asam Asetat dari Substrat Etanol Hasil

Fermentasi Alkohol dengan Perlakuan Batch dan

Penambahan Enzim Selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi) .. 42

Produksi Asam Asetat dari Substrat Etanol Hasil

Fermentasi Alkohol dengan Perlakuan Fed-batch dan

Penambahan Enzim Selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi) .. 44

Kinetika Fermentasi Asam Asetat ..................................................... 47

KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................. 49

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 50

LAMPIRAN ............................................................................................... 55

7/22/2019 2009 Vip

13/88

DAFTAR TABEL

Halaman

1. Komposisi pulp kakao Ivorian, Nigerian dan Malaysian .................... 4

2. Sakarifikasi dan fermentasi simultan selebiosa menjadi etanol

menggunakan berbagai katalis .............................................................. 10

3. Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada

medium Mandels pada tiga kadar gula total dengan kultur

fed-batch (anaerob) ............................................................................... 30

4. Perhitungan kinetika fermentasi alkohol ............................................... 40

5. Perhitungan kinetika fermentasi asam asetat yang dilanjutkan dari

perlakuan fermentasi alkohol ................................................................ 47

7/22/2019 2009 Vip

14/88

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1. Tahapan hidrolisis selulosa oleh enzim dan sistem sakarifikasi

dan fermentasi sinambung selulosa menjadi etanol .............................. 9

2 Penampang fermentor untuk fermentasi skala laboratorium ................ 10

3. Penampang bioreaktor berkapasitas 2 liter ........................................... 18

4. Diagram alir tahapan penelitian produksi asam asetat dari pulp kakao .. 22

5. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium pulp

kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur

S. cerevisiae .......................................................................................... 25

6. Penurunan gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium pulp

kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur

S. cerevisiae .......................................................................................... 26

7. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium

Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch, fed-batch .......... 27

8. Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada

medium Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch dan

fed-batch .............................................................................................. 28

9. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium

Mandels dengan kadar gula total 6, 12, dan 18% pada kultur

fed-batch (anaerob) ............................................................................... 29

10. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan

perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkoholpada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase

dengan menggunakan sistem batch ...................................................... 30


perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol

pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase

serta menggunakan sistem batch .......................................................... 31

12. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut

selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa

penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem batch ......... 33


selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan

penambahan enzim selulase dan menggunakan sistem batch ............... 33

14. Perubahan nilai pH medium fermentasi alkohol menggunakan sistem

batchdengan dan tanpa penambahan enzim selulase ........................... 34

7/22/2019 2009 Vip

15/88



pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase

dengan menggunakan sistemfed-batch ................................................ 35



pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase

serta menggunakan sistemfed-batch .................................................... 36


selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa

penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistemfed-batch ... 38


selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan

penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistemfed-batch ... 38

19. Perubahan nilai pH medium fermentasi alkohol menggunakan sistem

fed-batchdengan dan tanpa penambahan enzim selulase ..................... 39

20. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan

perubahan berat kering (dry weight) selama fermentasi asam asetat

pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch

tanpa penambahan enzim selulase ........................................................ 43


perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat

pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch

dengan penambahan enzim selulase ..................................................... 43



pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara

fed-batchtanpa penambahan enzim selulase ........................................ 45



pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secarafed-batch

dengan penambahan enzim selulase ..................................................... 45

24. Perubahan nilai pH fermentasi asam asetat pada medium pulp

kakao melalui fermentasi alkohol secara batch danfed-batchdengan

penambahan enzim selulase .................................................................. 46

7/22/2019 2009 Vip

16/88

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1. Komposisi media Mandels .................................................................... 56

2. Nilai absorbansi dan volume inokulum yang ditambahkan .................. 57

3. Prosedur analisis parameter fermentasi .................................................. 58

4. Data awal fermentasi alkohol menggunakan kultur batchdengan

penambahan selulase ............................................................................... 60

5. Data awal fermentasi alkohol menggunakan kulturfed-batchdengan

penambahan selulase ............................................................................. 61

6. Analisis sakarifikasi enzim selulase terhadap pulp kakao .................... 62

7. Analisa statistik keragaman fermentasi alkohol...................................... 63

8. Data awal fermentasi asam asetat menggunakan substratetanol hasil fermentasi alkohol dengan perlakuan kultur

(batchdanfed-batch) dan penambahan selulase ................................... 67

9. Analisis statistik keragaman fermentasi asam asetat ............................ 68

7/22/2019 2009 Vip

17/88

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan salah satu komoditi ekspornon-migas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam

negeri terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang

memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Kakao juga memiliki peranan

penting sebagai sumber penghasil devisa negara dan sebagai salah satu sumber

perekonomian rakyat yang sangat potensial. Buah kakao disamping digunakan

sebagai bahan minuman penyegar non-alkohol, juga dapat berfungsi sebagai

bahan baku industri pangan dan industri farmasi.

Produksi kakao Indonesia pada tahun 2000 sebesar 431 142 ton, tahun

2001 sebesar 536 804 ton sedangkan pada tahun 2006 terjadi peningkatan

produksi kakao sebesar 779 474 ton. Peningkatan produksi kakao telah

memberikan hasil nyata bagi peningkatan pangsa pasar kakao Indonesia di kancah

perkakaoan dunia. Indonesia berhasil menempatkan diri sebagai produsen kakao

terbesar kedua dunia setelah Pantai Gading (Cote d'Ivoire) pada tahun 2002

(Direktorat Jenderal Bina Produksi Perkebunan 2006).

Salah satu kelemahan kakao Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang

terlalu tinggi. Biji kakao yang masam mengakibatkan citarasa coklat yang lemah

sehingga kurang disukai oleh konsumen (Suryatmi 1995). Kondisi asam yang

berlebihan dapat menghambat proses fermentasi biji kakao. Pengurangan jumlah

pulp sebelum biji kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman

biji kakao. Pengurangan jumlah pulp kakao dapat dilakukan dengan menggunakan

alat pengurang pulp mekanik (depulper). Pengurangan pulp dengan cara ini

menghasilkan limbah pulp kakao yang berupa bubur pulp kakao. Jika dikelola

dengan baik, lendir biji kakao merupakan hasil samping industri pengolahan

kakao yang cukup menarik. Menurut Adamoko (1984), produksi lendir biji kakao

mencapai 0.10-0.19 l/kg biji basah. Pulp kakao mengandung glukosa dan sukrosa

antara 12-15%, asam-asam organik dan beberapa asam amino (Effendi 2002 dan

Opeke 1984). Komposisi demikian cukup baik digunakan dalam proses fermentasi

untuk menghasilkan asam asetat.

7/22/2019 2009 Vip

18/88

Pettipher (1986), menyatakan kandungan selulosa dalam pulp kakao

sebesar 4.73% berat kering (freeze dried), diharapkan dengan penambahan enzim

selulase akan lebih banyak selulosa yang terpecah menjadi molekul glukosa,

sehingga jumlah molekul glukosa yang lebih banyak dapat meningkatkan kadar

etanol sebagai substrat untuk produksi asam asetat yang tinggi.

Saat ini pemanfaatan pulp kakao belum optimal. Pemanfaatan pulp kakao

yang selama ini hanya sebagai limbah organik ke lingkungan juga dapat

dimanfaatkan sebagai substrat produksi alkohol dan asam asetat sehingga perlu

dilakukan dan perlu dicari teknologi pengolahan limbah kakao yang dapat

menangani limbah dalam jumlah yang besar.

Fermentasi adalah salah satu bagian dari bioteknologi yang menggunakan

mikroorganisme sebagai pemeran utama dalam suatu proses. Fermentasi secarateknik dapat didefinisikan sebagai suatu proses oksidasi aerob atau partikel

anaerob dari karbohidrat dan menghasilkan alkohol serta beberapa asam. Hasil

fermentasi diperoleh sebagai akibat metabolisme mikroba pada suatu bahan

pangan dalam keadaan anaerob ataupun dalam keadaan aerob. Hasil penguraian

adalah energi, CO2, air dan sejumlah asam organik lainnya seperti etanol, asam

asetat, dan asam laktat.

Dalam fermentasi alkohol, khamir yang digunakan adalah

Saccharomyces cerevisiae dimana hasil utamanya adalah etanol. S. cerevisiae

merupakan salah satu jenis khamir yang cukup banyak digunakan sebagai

inokolum dalam berbagai proses industri antara lain produksi roti, tape, minuman

beralkohol dan industri etanol. S. cerevisiaejuga digunakan untuk menghasilkan

produk-produk seperti biomassa, ekstrak khamir, komponen flavor.

Asam asetat merupakan salah satu produksi industri yang banyak

dibutuhkan di Indonesia. Asam asetat dapat dibuat dari substrat yang mengandung

alkohol, yang diperoleh dari berbagai macam bahan seperti buah-buahan, kulit

nanas, pulp kopi, air kelapa dan pulp kakao.

S. cerevisiae dan Acetobacter aceti merupakan jenis khamir dan bakteri

yang telah digunakan untuk produksi alkohol dan asam asetat secara komersial.

Kultivasi fed-batch dapat diterapkan untuk meningkatkan produksi alkohol dan

asam asetat, serta dapat mengurangi pengaruh inhibisi substrat. Teknik kultivasi

7/22/2019 2009 Vip

19/88

fed-batch yang berfokus pada pengumpanan sumber karbon yang murah dan

pembatasan nutrisi esensial lainnya seperti oksigen, nitrogen, fosfat dan

magnesium diharapkan dapat meningkatkan produksi alkohol dan asam asetat.

Tujuan Penelitian

Tujuan umum dari penelitian ini adalah mempelajari karakteristik

fermentasi pulp kakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil

fermentasi alkohol menggunakan bioreaktor.

Sedangkan tujuan khusus penelitian ini adalah sebagai berikut :

a. Menentukan galur biakan, pengaturan aerasi dan kadar gula total substrat

untuk produksi etanol.

b. Mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi

alkohol dengan metode kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa

penambahan enzim selulase dalam bioreaktor.

7/22/2019 2009 Vip

20/88

TINJAUAN PUSTAKA

Pulp Kakao

Kakao lindak paling banyak dibudidayakan di seluruh negara produsen

kakao dunia termasuk Indonesia, dan didominasi oleh perkebunan rakyat. Kakao

lindak Indonesia ditandai dengan ciri pulp yang tebal, keasaman biji keringnya

tinggi. Pulp yang tebal dapat berasal dari buah yang kurang masak atau biji kecil

(Suryatmi 1995). Hasil analisis komposisi dari pulp kakao dari Ivorian, Nigerian

dan Malaysia dapat dilihat pada Tabel 1 (Pettipher 1986).

Tabel 1. Komposisi pulp kakao Ivorian, Nigerian dan Malaysian (Pettipher 1986)

Komposisi Ivorian Nigerian Malaysian

(g/100g berat segar pulpa)

Etanol 0 0.10 0.20

Sukrosa 4.35 1.92 1.35

Glukosa 3.00 5.06 4.90

Fruktosa 3.80 6.07 5.35

Dalamfreeze dried(g/kg berat kering)

Selulosa 51.80 Tidak ditentukan 47.30

Hemiselulosa 28.50 Tidak ditentukan 15.80

Pektin 66.10 59.1 37.50Lignin 15.00 Tidak ditentukan 5.00

Sekitar 15-25% larutan gula dapat diubah selama fermentasi. Berbagai

jenis bahan seperti pati kentang, sirup glukosa, sukrosa, sirup gula tebu, molases

tebu dan molases bit dapat digunakan sebagai karbohidrat. Tetapi pada umumnya

hanya gula yang dapat dengan cepat dimanfaatkan sebagai sumber karbon dalam

fermentasi. Atmawinata et al. (1998) menyatakan bahwa pulp diketahui

mempunyai kandungan glukosa antara 10-15% dan air 80-85%. Effendi (2002)menyatakan bahwa, limbah cair pulp kakao dengan kadar gula 12-15% potensial

untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku berbagai produk proses kimia industri

melalui pendekatan bioteknologi.

7/22/2019 2009 Vip

21/88

Komposisi media merupakan faktor yang penting bagi pertumbuhan

mikroorganisme. Menurut Purawisastra et al. (1994) komponen media yang

diperlukan adalah unsur karbon, nitrogen dan mineral. Pengaruh konsentrasi

sukrosa awal yang berbeda pada fermentasi gula pasir dan nira tebu terhadap

etanol yang dihasilkan disebabkan karena konsentrasi glukosa pada awal

fermentasi untuk kedua medium adalah berbeda. Nira tebu mengandung glukosa

lebih besar dari gula pasir karena nira tebu merupakan bahan alami, sehingga

molekul glukosanya tidak hanya secara alami sudah mengandung glukosa, tetapi

juga berasal dari molekul sukrosa yang terhidrolisis.

Fermentasi Alkohol

Etanol adalah nama kimia dari alkohol, rumus kimianya adalah C2H5OH.

Penggunaannya sangat luas antara lain dalam industri kimia, kosmetik, industri

minuman, sebagai bahan pelarut dan bahan bakar. Etanol dapat dibuat dari bahan

hasil pertanian, seperti bahan yang mengandung turunan gula (molase gula tebu,

sari buah), bahan yang mengandung pati, atau bahan yang mengandung selulosa

kayu, limbah kayu, onggok, pulp kakao (Hartono 1991).

Gula sederhana seperti glukosa dapat langsung difermentasi menjadi

etanol. Bahan yang mengandung senyawa yang lebih kompleks seperti pati atau

selulosa harus dihidrolisis menjadi senyawa yang lebih sederhana sebelum

difermentasi menjadi etanol. Hidrolisis dapat dilakukan secara kimiawi atau

menggunakan enzim. Purawisastra et al. (1994) menjelaskan bahwa medium gula

pasir dengan penambahan enzim invertase dapat meningkatkan konsentrasi etanol

yang dihasilkan.

Susijahadi et al. (1998) lebih lanjut menjelaskan bahwa konsentrasi

gula awal substrat berpengaruh terhadap jumlah alkohol yang dihasilkan.

Wardani et al. (1991) menjelaskan bahwa, secara teoritis kadar alkohol

maksimum yang dapat diperoleh dari 180 g/l gula adalah 12.26% v/v.

S. cerevisiae adalah galur yang memproduksi etanol dalam jumah tinggi

sehingga sering digunakan dalam produksi etanol, anggur, minuman keras, dan

enzim invertase. Purawisastra et al.(1994) menyimpulkan bahwa enzim invertase

disamping berperan pada hidrolisis molekul sukrosa menjadi fruktosa dan

7/22/2019 2009 Vip

22/88

glukosa. Juga dapat membantu proses konversi glukosa menjadi etanol. Dengan

demikian, etanol yang dihasilkan dipengaruhi oleh konsentrasi awal molekul

sukrosa dan glukosa sebelum fermentasi berlangsung.

Baik khamir maupun bakteri dapat digunakan untuk memproduksi etanol.

Khamir S. cerevisiae var ellipsoids mampu menghasilkan etanol dalam jumlah

tinggi 16-18% pada media yang sesuai. Damanhuri (2004) menyimpulkan bahwa,

substrat larutan madu rambutan afkir dengan kadar gula total 20% menghasilkan

16.10% etanol. Effendi (2002) berpendapat bahwa, fermentasi substrat limbah

cair pulp kakao dengan kadar gula 12.63% baik tanpa maupun dengan

penambahan urea dan S. cerevisiaeR60dengan konsentrasi inokulum 10% (v/v),

suhu 30

C, waktu fermentasi 48 jam dihasilkan kadar etanol rata-rata 5.30%.

Untuk menghasilkan kadar etanol sebesar 5% sampai 6% diperlukan waktufermentasi antara 48 sampai 50 jam.

Pada kondisi aerob atau konsentrasi glukosa tinggi S. cerevisiae tumbuh

dengan baik, namun etanol yang dihasilkan rendah dibandingkan secara anaerob.

Pada kondisi anaerob, pertumbuhan lambat dan piruvat dari jalur katabolik

dipecah oleh enzim piruvat dikarbosilase menjadi asetaldehid dan karbon

dioksida. Pada umumnya produksi etanol meliputi tiga tahap dimana tiap tahap

harus dioptimasi, fermentasi dan destilasi (Hartoto 1991).

Fermentasi Asam Asetat

Asam asetat merupakan hasil dua tahap proses fermentasi dimana tahap

pertama adalah fermentasi gula menjadi etanol oleh khamir, sedangkan tahap

kedua adalah oksidasi etanol menjadi asam asetat oleh bakteri asam asetat.

Asam asetat (vinegar) adalah senyawa yang cukup penting dalam pengolahan

bahan pangan baik sebagai bumbu maupun bahan pengawet (Luwihana 1998).

Menurut Wardani et al. (1991) bahwa vinegar adalah larutan encer asam asetat

yang dihasilkan melalui dua tahap fermentasi larutan gula menjadi etanol dan

dilanjutkan dengan proses oksidasi etanol menjadi asam asetat.

Fermentasi asam asetat membutuhkan medium yang mengandung etanol

10-13%, umumnya medium tersebut diperoleh dari hasil fermentasi alkohol, yaitu

fermentasi pengubahan gula menjadi etanol. Bila konsentrasi etanol terlalu tinggi,

7/22/2019 2009 Vip

23/88

pembentukan asam asetat akan terganggu, sehingga fermentasi etanol menjadi

asam asetat tidak berlangsung dengan sempurna, selain itu keasaman medium

perlu diperhatikan (Darwis dan Sukara 1989). Damanhuri (2004) menjelaskan

fermentasi asam asetat dengan substrat etanol 16.10% menghasilkan 0.11% asam

asetat dengan lama fermentasi selama 5 minggu.

Pada proses pembuatan cuka fermentasi, mula-mula dilakukan tahap

fermentasi alkohol dimana gula yang ada diubah menjadi etanol menggunakan

khamir S. cerevisiae dalam kondisi anaerobik, selanjutnya dalam tahap fermentasi

asetat, etanol akan diubah menjadi asam asetat, galur yang paling umum

digunakan ialahA. aceti, dalam kondisi aerob (Chandra et al.1990).

Effendi (2002), menyimpulkan bahwa pada fermentasi etanol hasil

fermentasi limbah cair pulp kakao oleh A. aceti B127dengan kondisi suhu 30

C,nilai pH awal 4, konsentrasi etanol 5% (v/v), inokulum 10% (v/v), dengan

kecepatan pengadukan terbaik 400 rpm dengan hasil asam asetat 4.24%. Ebner

(1983) dan Standardisasi Nasional (1990) menjelaskan cuka yang baik minimal

harus mengandung 4% asam asetat.

Produksi asam asetat dapat ditingkatkan dengan cara pemberian aerasi dan

agitasi serta pengaturan suhu fermentasi pada suhu optimum pertumbuhan bakteri

asam asetat. Produksi asam sangat bergantung pada tingkat kesuburan

pertumbuhan sel bakteri dan tingkat kesuburan tersebut menurun seiring dengan

peningkatan kadar etanol substrat (Soedarini et al. 1998).

Pudjiraharti et al. (1998) menyimpulkan bahwa pembuatan asam cuka dari

sari buah jambu mete telah dilakukan dalam fermentor Biostat B skala 2 liter.

Fermentasi berlangsung pada suhu 35C, pH awal 4, aerasi 1 vvm dan berbagai

kecepatan agitasi 500, 600 dan 700 rpm selama 6 hari. Kadar total asam

maksimum dicapai pada hari ke-tiga fermentasi pada semua kecepatan agitasi.

Fermentasi dengan kecepatan agitasi 600 rpm menunjukkan total asam tertinggi

4.01% (b/v) ekivalen dengan 3.90% (b/v) asam asetat dengan efisiensi

pengubahan dari etanol menjadi asam asetat 58.64%. Dari hasil analisis

kandungan etanol, pada hari ke-tiga fermentasi kadar etanol sisa dalam media

mendekati nol pada semua kecepatan agitasi.

7/22/2019 2009 Vip

24/88

Nurika et al. (2001) menyimpulkan bahwa, nilai rata-rata jumlah asam

asetat yang terbentuk dari media air kelapa secara fermentasi kontinyu dengan

penambahan 10% (v/v) A. aceti FNCC 0016 (IFO 3283) berkisar antara 0.44

sampai dengan 1.12 g/hari yang diperoleh dari perlakuan tinggi partikel dalam

kolom bio-oksidasi 34 cm dengan kecepatan aerasi 0.08 vvm.

Enzim Selulase

Irawadi (1999) menyatakan bahwa, enzim yang berperan dalam proses

hidrolisis limbah lignoselulosa terdiri dari tiga kelompok, yaitu kelompok

selulase, ligninase dan hemiselulase. Masing-masing kelompok terdiri atas tiga

jenis enzim. Selulase terdiri dari endoglukanase (CHC-ase), eksoglukanase

(selobio-hidrolase) dan -glukosidase. Ligninase terdiri dari laccase,

lignin-peroksidase dan Mn-peroksidase. Hemiselulase (xilanase) terdiri dari

endoxilanase, eksoxilanase dan -xilosidase. Sudaryati et al. (1993) menyatakan

bahwa, selulase adalah nama trival bagi semua enzim yang memutuskan ikatan

glikosidik -1.4 di dalam selulosa, sedodekstrin, selobiosa.

Selulase sesungguhnya adalah enzim yang kompleks sehingga dapat

mendegradasi selulosa membentuk monosakaridanya yaitu glukosa. Aktivitas

enzim selulase dinyatakan dalam satuan unit per mililiter filtrat enzim (U/ml).

Satu unit aktivitas enzim setara dengan satu mikromol glukosa yang dihasilkan

dari perlakuan enzim terhadap larutan karboksimetil selulosa 1% setara 1 unit

(Wirakartakusumah et al. 1987). Menurut Irawadi (1999) bahwa, semakin tinggi

aktivitas enzim maka semakin tinggi pula gula pereduksi yang dihasilkan.

Purwadaria et al. (2004) menyatakan bahwa, produksi enzim selulase

dengan Penicillium nalgiovense S11 pada media pollard gandum dapat

ditingkatkan dengan perlakuan awal pada substrat. Perlakuan NaOH dengan

peningkatan konsentrasi substrat dari 2 menjadi 4% dengan waktu inkubasi

optimum 5 hari meningkatkan produksi enzim selulase (CMCase, FPase,

-glucosidase). Penambahan 250 ppm glukosa juga meningkatkan aktivitas

spesifik dari CMCase, FPase, -glucosidase.

7/22/2019 2009 Vip

25/88

Menurut Ghani et al. (1990) bahwa, enzim selulotik terbentuk dari

beberapa mikroorganisme termasuk fungi, actinomycetes dan bakteri, ada 40

spesies fungi, 12 spesies bakteri dan 4 spesies dari actinomycetes yang dapat

memproduksi selulase. Beberapa keuntungan dalam penggunaan bakteri :

1) Spesies bakteri mempunyai waktu potensial lebih besar dalam manipulasigenetik.

2) Bakteri memiliki waktu pendek untuk produksi enzimSelulosa yang tersedia berlimpah sangat potensial dipakai sebagai bahan

baku untuk produksi etanol. Proses hidrolisis enzimatis secara bertahap dari

selulosa menjadi glukosa dipengaruhi oleh faktor penghambat yang sangat

menentukan didalam biokonversi selulosa menjadi etanol. Faktor penyebab

utamanya ialah adanya penghambatan produk (terutama selobiosa dan glukosa)terhadap semua tahapan hidrolisis karena rendahnya aktivitas enzim -glukosidase

(EC.3.2.1.21) dalam kompleks enzim selulase dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Tahapan hidrolisis selulosa oleh enzim dan sistem sakarifikasi dan

fermentasi sinambung selulosa menjadi etanol (Koesnandar, 2001).

Koesnandar (2001) menyimpulkan bahwa, konversi selobiosa

menggunakan sistem batch berulang dengan penambahan substrat selobiosa

secara bertahap dengan kondisi anaerob, etanol yang diperoleh ialah 60-70 g/l

selama 50-75 jam inkubasi dengan hasil konversi antara 0.40-0.47 g etanol/g

selobiosa. Hasil tersebut menunjukkan bahwa imobilisasi sel ganda antara

Lipomyces starkeyi dan S. cerevisiae sangat potensial untuk memproduksi

etanol dari selobiosa secara langsung pada konsentrasi yang tinggi (Tabel 2).

Selulosa

-- glukosidase

Glukosa Etanol

HambatHambat Hambat

Eksoglukanase

endoglukanase

Sakarifikasi dan fermentasi sinambung

Selobiosa

gula lain

Khamir

7/22/2019 2009 Vip

26/88

Tabel 2. Sakarifikasi dan fermentasi simultan selebiosa menjadi etanol

menggunakan berbagai katalis

Katalis yang digunakan

Produksi

etanol final

(g/l)

Etanol

(g/g

substrat)

Sumber acuan

Imobilisasi sel gandaLypomyces starkeyidan

Saccharomyces cerevisiae

70.00 0.47 Koesnandar(2001)

Rekombinan Klebsiella oxytoca 45.20 0.49 Wood & Ingram

(1992)

Keuntungan lain dari hidrolisis enzim selain dapat bekerja pada

kondisi normal atau tidak memerlukan suhu, tekanan dan pH yang tinggi,

juga produk yang dihasilkan lebih spesifik dan dekomposisi dapat dihindari.

Laju reaksi enzim sangat dipengaruhi oleh adsorpsi enzim substrat. Semakin

banyak enzim yang dapat diserap maka semakin tinggi kecepatan reaksi hidrolisis

enzim. Faktor yang mempengaruhi adsorpsi selulase pada selulosa adalah sifat

substrat, konsentrasi enzim, perubahan struktur substrat selama hidrolisis,

inaktivasi selulase oleh produk-produk hidrolisis (Irawadi 1999).

Bioreaktor

Bioreaktor adalah alat yang digunakan untuk memperoleh lingkungan

terkontrol untuk pertumbuhan mikroorganisme, sehingga diperoleh produk yang

diinginkan. Dua kriteria penting dalam penggunaan bioreaktor adalah(1) peralatan harus dapat dioperasikan secara aseptis selama beberapa hari dan

mampu digunakan untuk jangka waktu yang lama, (2) agitasi dan aerasi harus

cukup tersedia agar kebutuhan metabolisme mikroorganisme terpenuhi (Stanbury

dan Whitaker 1984.)

Penggunaan bioreaktor diharapkan antara lain mampu memberikan

kondisi lingkungan seperti pH, suhu, oksigen terlarut bagi pertumbuhan

mikroorganisme beserta aktivitas metabolik yang diharapkan sehingga tercapai

proses optimum serta dapat dicegah terjadinya kontaminasi yang berasal dari

lingkungan (Hartato dan Sailah 1989). Berdasarkan cara pemberian medium atau

substrat dan pengambilan produk, sistem operasi bioreaktor dapat digolongkan

menjadi sistem batch, kontinyu danfed-bacth (Hartoto 1991).

7/22/2019 2009 Vip

27/88

Tipe Fermentor

Penggolongan tipe fermentor dilakukan berdasarkan mode operasi dan

pola alir fermentor. Sistem yang paling umum digunakan adalah tangki batch

berpengaduk. Pada beberapa kasus, reaktor tipe ini juga dikerjakan secara

fed-batch.

FermentorBatchFermentor batchrelatif sederhana sesuai dengan cara operasinya, sehingga

baik untuk percobaan penentuan kinetika reaksi skala kecil. Konfigurasi fermentor

ini dapat dilihat pada Gambar 2. Beberapa kelebihan fermentor batchantara lain

adalah fleksibilitas operasinya, yaitu lebih mudah dan cepat. Namun

kelemahannya perlu banyak tenaga kerja, dan pengawasan mutu produk yang

rendah selama operasi (Hartato dan Sailah 1989).

Menurut Machfud et al. (1989) tangki fermentor bacth adalah jenis

reaktor yang paling sederhana. Reaktor ini digunakan untuk substrat yang

mempunyai viskositas tinggi. Reaktor jenis ini dapat pula dibuat secara fed-batch

sehingga reaksi dapat berlangsung lebih efisien.

Gambar 2. Penampang fermentor untuk fermentasi skala laboratorium

Uap untuk

Sterilisasi

Motor

Pemecah Busa

Medium

Udara Steril

Impeller

Pengendali pH

7/22/2019 2009 Vip

28/88

Fermentor Tangki Teraduk KontinyuJenis fermentor ini tidak berbeda dengan fermentor batch, kecuali adanya

saluran untuk memasukan umpan dan mengeluarkan produk. Perbedaan kedua

jenis fermentor ini terutama pada tangki teraduk kontinyu berjalan secara steady

stateyaitu kondisi (konsentrasi dan suhu) dalam fermentor tidak berubah selama

fermentasi. Hal tersebut dapat dicapai dengan adanya aliran umpan masuk dan

aliran produk yang keluar sama secara kontinyu.

Karakteristik penting fermentor tangki teraduk kontinyu adalah kondisi di

dalam fermentor sama dengan kondisi pada aliran keluar. Dengan demikian untuk

mengetahui kondisi di dalam fermentor seperti sisa umpan atau produk yang

terbentuk dapat dilakukan dengan menganalisis cairan fermentasi yang keluar

fermentor (Rahman 1992).

Sistem Operasi Bioreaktor

Berdasarkan pemberian medium atau substrat dan pengambilan produk,

sistem operasi bioreaktor dapat digolongkan menjadi sistem batch, kontinyu dan

fed-batch.

SistemBatchPada sistem batch atau curah, substrat dimasukkan ke dalam bioreaktor,

kemudian dibiarkan teraduk sampai selang waktu tertentu. Setelah tercapai tingkat

konversi yang dikehendaki, produk yang dihasilkan dikeluarkan. Selang waktu

operasi sistem batch biasanya lebih pendek dari sistem kontinyu. Disebabkan

selama proses tidak ada aliran yang keluar dan masuk dimana dikenal dengan

sistem tertutup. Sistem batch merupakan sistem yang paling sederhana dan efektif

untuk reaksi-reaksi homogen (Hartato 1991).

Pada fermentasi sistem tertutup, setelah inokulasi tidak dilakukan lagi

penambahan medium ke dalam fermentor, kecuali pemberian oksigen,

antibuih dan asam atau basa untuk mengatur pH. Karena itu pada sistem

tertutup ini, dengan semakin lamanya waktu fermentasi, laju pertumbuhan

spesifik mikroorganisme semakin menurun sampai akhirnya pertumbuhan

berhenti. Penurunan dan berhentinya pertumbuhan disebabkan karena dengan

7/22/2019 2009 Vip

29/88

berhenti. Penurunan dan berhentinya pertumbuhan disebabkan karena dengan

semakin bertambahnya waktu fermentasi, nutrien-nutrien esensial dalam medium

semakin berkurang yang mempengaruhi laju pertumbuhan (Rahman 1992).

Sistem KontinyuPada sistem ini terdapat aliran medium yang masuk ke dalam bioreaktor

serta ada aliran produk beserta sisa substrat yang belum terkonversi keluar.

Adanya kedua aliran ini menyebabkan sistem ini disebut sebagai sistem terbuka

(Hartato 1991). Lebih lanjut menurut Machfud et al. (1989), bahwa dalam sistem

kontinyu, larutan nutrien steril dalam volume tertentu ditambahkan ke dalam

fermentor secara terus-menerus, dan pada saat bersamaan cairan fermentasi yang

mengandung sel dan produk fermentasi dikeluarkan dari fermentor dengan

volume yang sama.

Sistem kontinyu sangat efektif untuk reaksi homogen dengan jumlah

substrat yang besar. Modifikasi sistem ini antara lain sistem seri yaitu beberapa

bioreaktor digabung atau adanya daur ulang untuk meningkatkan konsentrasi

produk yang diinginkan (Rahman 1992).

SistemFed-BatchIstilah kulturfed-batchpertama kali digunakan oleh Yoshida et al. (1973)

untuk menggambarkan pengoperasian kultur batch yang secara bertahap. Dengan

adanya penambahan nutrien (media) mengakibatkan volume kultur terus

meningkat. Kultur fed-batch dibandingkan dengan kultur batch konvensional

memiliki beberapa keuntungan yaitu rendahnya konsentrasi gula tereduksi,

tingginya konsentrasi oksigen terlarut di dalam media, penurunan waktu

fermentasi dan meningkatkan produktivitas (Roukas 1996).

Ciri lain dari kultur fed-batch adalah adanya keleluasan untuk mengatur

konsentrasi nutrien tertentu di dalam kultur selama proses berlangsung, yaitu

dengan memanipulasi laju penambahannya (Minihane dan Brown 1986). Oleh

karena itu kultur fed-batch umumnya lebih unggul dibandingkan kultur batch

konvensional khususnya pada proses fermentasi yang produktivitasnya dapat

ditingkatkan melalui manipulasi konsentrasi nutrien medium.

7/22/2019 2009 Vip

30/88

Kultur fed-batch sangat ideal diterapkan pada fermentasi yang

pertumbuhan sel atau proses pembentukan produknya peka terhadap konsentrasi

substrat pembatas. Umumnya teknik ini efektif dalam mengurangi pengaruh

inhibisi substrat. Selain itu, teknik ini juga dapat digunakan untuk menghasilkan

konsentrasi sel yang tinggi, mengatasi kehilangan air akibat penguapan

selama fermentasi serta untuk mempertahankan viskositas medium (Minihane

dan Brown 1986).

Faktor Faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi dalam Bioreaktor

SuhuLaju pertumbuhan mikroorganisme yang terdiri dari serangkaian reaksi

kompleks yang melibatkan enzim sebagai katalis, akan meningkatkan dua kali

dengan meningkatnya suhu sebesar 10C. Peningkatan laju pertumbuhan tersebut

hanya terjadi pada selang suhu tertentu. Pada suhu rendah, laju pertumbuhan

menurun kematian sel meningkat dan akibat mekanisme pengaturan nutrien dan

produk ke dalam dan keluar sel. Pada suhu yang tinggi, laju pertumbuhan

menurun dikarenakan laju kematian sel meningkat akibat denaturasi thermal

komponen protein dan pemecahan struktur sel yang penting seperti fluiditas

membran seluler.

Berdasarkan penelitian Purawisastra et al. (1994) bahwa hasil

fermentasi etanol meliputi konsentrasi, efisiensi dan yield pada

Zymomonas mobilisdalam medium gula dan nira tebu dapat ditingkatkan dengan

penambahan enzim invertase pada suhu 35 C. Pudjiraharti et al. (1998)

menyatakan bahwa pembuatan asam cuka dari sari buah jambu mete telah

dilakukan dalam fermentor Biostat-B skala 2 liter dimana fermentasi

dilangsungkan pada suhu 35C.

pHKondisi medium seperti pH mempunyai pengaruh yang besar terhadap

pertumbuhan dan pembentukan produk oleh mikroorganisme. Tingkat pH

medium juga mempengaruhi produk yang dibentuk, selain mempengaruhi

pertumbuhan mikroorganisme. Sebagai contoh kebenyakan bakteri pada kondisi

7/22/2019 2009 Vip

31/88

anaerob cenderung membentuk produk yang bersifat netral selama pertumbuhan

pada pH rendah, sementara pada pH alkalis berubah membuat produk bersifat

asam. Hal ini mengakibatkan pengontrolan pH selama bioreaktor merupakan hal

yang sangat penting.

Aerasi dan AgitasiPada fermentasi alkohol hasil fermentasi limbah cair pulp kakao oleh

A. aceti B127 secara kultur batch dengan kondisi suhu 30C nilai pH awal 4,

konsentrasi etanol 5.0% v/v, inokulum 10% v/v, diperoleh kecepatan pengadukan

terbaik adalah 400 rpm dengan hasil asam asetat 4.24% dengan efisien 71.20%.

Berdasarkan kinetika produksi asam asetat dari etanol hasil fermentasi limbah cair

pulp kakao oleh A. aceti B127 dengan kecepatan aerasi 1.0 vvm sebesar 4.24%

lebih tinggi dibandingkan dengan kecepatan aerasi 0.5 vvm dan 1.5 vvm

(Effendi 2002).

Roukas (1996) menyimpulkan bahwa, kultur fed-batch membuktikan

proses fermentasi untuk produksi etanol lebih baik dibanding kultur batch. Kultur

fed-batch dengan atau tanpa immobilisasi sel S. cerevisiae menghasilkan

konsentrasi etanol maksimum 53 g/l dengan konsentrasi gula awal 250 g/l dengan

feeding rate250 ml/jam. Pada repeated fed-batchkultur, secara keseluruhan sel

imobilisasi S. cerevisiae memberikan konsentrasi etanol tertinggi.

Kinetika Proses Fermentasi

Pertumbuhan sel dan pembentukan produk oleh mikroorganisme

merupakan proses biokonversi dengan nutrien kimiawi yang diumpankan pada

fermentasi dikonversi menjadi metabolit. Setiap tahap konversi tersebut dapat

dikuantitatifkan oleh suatu koefisien hasil yang dinyatakan sebagai massa sel atau

produk yang terbentuk persatuaan massa sel atau produk yang terbentuk per-unit

massa nutrien yang dikonsumsi yaitu Y x/s untuk sel dan Y p/s untuk produk.

Hubungan kinetika di antara pertumbuhan dan pembentukan produk

tergantung pada peranan produk dalam metabolisme sel. Dua buah kinetik yang

umum digunakan adalah kinetika yang menggambarkan sintesis produk selama

pertumbuhan, dan kinetika yang menggambarkan sintesis produk selama

pertumbuhan terhenti (Said 1987).

7/22/2019 2009 Vip

32/88

MenurutDarwis dan Sunarti (1991) produk-produk yang dihasilkan pada

pola pertumbuhan berasosiasi dengan pembentukan produk biasanya merupakan

produk-produk langsung dari suatu jalur katabolit seperti pada fermentasi anaerob

glukosa menjadi etanol, atau produk-produk tersebut dihasilkan sebagai

metabolit-metabolit primer dan hubungannya dengan pertumbuhan dinyatakan

dalam persamaan berikut :

Laju pertumbuhan spesifikPeningkatan jumlah biomassa (dx) (b/v) selama interval waktu yang sangat

kecil sebanding dengan jumlah biomassa yang ada dan interval waktu :

dtdx = (1)

dengan adalah laju pertumbuhan spesifik (jam

-1

).

Xt = X0et

(2)

Growth Yieldetanol / asam asetatGrowth yield (Y x/s) didefinisikan sebagai peningkatan jumlah biomassa (x)

sebagai akibat penggunaan substrat (s).

ds

dx

s

xY = (3)

Growth Yielddiasumsikan konstan dan dapat berubah jika terlampaui fase

pertumbuhan yang berasosiasi dengan fermentasi.

)(

)(

0

0

ss

xx

s

xY

= (4)

Dengan s dan s0masing-masing adalah substrat akhir dan substrat awal.

Product yield(Y p/s) dapat dihitung dari persamaan berikut ini :

... (5)

dengan p dan p0 masing-masing adalah konsentrasi produk akhir dan

konsentrasi produk awal.

)(

)(

0

0

ss

ppY

s

p

=

7/22/2019 2009 Vip

33/88

METODOLOGI PENELITIAN

Waktu dan Tempat

Penelitian dilaksanakan pada bulan Februari sampai dengan November

2008 di Laboratorium Balai Penelitian Ternak (Balitnak) Ciawi-Bogor dan

Laboratorium Bioindustri, Departemen Teknologi Industri Pertanian, Institut

Pertanian Bogor.

Bahan dan Alat

Bahan baku yang digunakan sebagai substrat utama dalam pembuatan

etanol dan asam asetat dari pulp kakao jenis lindak dari perkebunan rakyat Bone,

Makassar, sukrosa, gula, enzim selulase Penicillium nalgiovense SS240, PDA

(agar-agar kentang-dekstrosa) miring, PDB (kentang-dektrosa cair),

Saccharomyces cerevisiae koleksi IPB dan Balitnak, Acetobacter aceti BTCC-

618 koleksi LIPI Cibinong, dinitrosalicylic acid (DNS), glukosa, etanol absolute,

K2Cr2O7, Na asetat, asam sulfat, Na2CO3, NaCl, aquades, medium Mandels.

Peralatan yang digunakan adalah erlenmeyer volume 250 ml, tabung reaksi,

gelas ukur, autopipet 1000-5000 l, inkubator bergoyang, vorteks,

spektrofotometer, cawan conway, autoclave, pengaduk magnetik, bioreaktor

berkapasitas 2 liter (Gambar 3).

7/22/2019 2009 Vip

34/88

Gambar 3. Penampang bioreaktor berkapasitas 2 liter.

Metode Penelitian

Pembuatan Media Agar Miring (Agar-Agar Kentang-Dekstrosa)Bahan-bahan pembuatan media agar miring meliputi : aquades 150 ml,

yeast extract 0.6 gr, potato dextrose agar 6 gr. Bahan-bahan tersebut dicampur dan

dilarutkan dalam aquades dan dimasak selanjutnya dituang dalam tabung reaksi

sebanyak 3 ml, kemudian disterilkan dalam autoklaf pada suhu 121C selama

15 menit.

Pembuatan Media Cair untuk Aktivasi (Kentang-Dektrosa Cair)Bahan-bahan pembuatan media cair untuk aktifasi meliputi : kentang

200gr, aquades 500 ml, sukrosa 10gr. Bahan-bahan tersebut dimasak dalam

aquades kemudian dimasukkan dalam erlenmeyer (volume 500 ml) sebanyak

100 ml selanjutnya disterilkan menggunakan autoklaf pada suhu 121C selama

15 menit.

7/22/2019 2009 Vip

35/88

Persiapan InokulumS.cerevisiaekoleksi IPB dan Balitnak serta A. aceti dibiakkan pada PDA

(agar-agar kentang-dekstrosa) miring selama 2 hari pada suhu ruang dalam tabung

reaksi disuspensikan dengan NaCl sebanyak 5 ml selanjutnya dipindahkan

sebanyak 2.5 ml dalam 50 ml PDB (kentang-dektrosa cair). PDB diinkubasi

dalam inkubator bergoyang 150 rpm pada 30C selama 20 jam untuk selanjutnya

digunakan sebagai inokulum.

Produksi Enzim SelulaseP. nalgiovense SS240 ditanam pada media agar miring (agar-agar kentang-

dekstrosa) selama 5 hari, ditambahkan larutan NaCl 0.85%. Produksi enzim

dilakukan dengan menginokulasi 2 ml inokulum pada 50 ml media Mandels(Lampiran 1) dengan 3% polard NaOH sebagai sumber karbon dalam labu

erlenmeyer 250 ml. Diinkubasi pada suhu 30C dalam inkubator bergoyang

dengan kecepatan 150 rpm selama 4 hari. Supernatan yang merupakan enzim

disimpan dalamfreezeruntuk digunakan dalam penelitian.

Pelaksanaan Penelitian

Penelitian Pendahuluan

Penentuan Galur S. cerevisiae untuk Produksi Etanol pada Media PulpKakao

Mengkaji fermentasi anaerob pada media pulp kakao oleh S. cerevisiae

koleksi IPB dan Balitnak. Masing-masing medium yang dikaji diencerkan 3x

dan ditambahkan sukrosa 3.3% (b/v) sebagai kontrol tidak ditambahkan gula.

Inokulum sebanyak 10% (v/v) dimasukkan ke dalam erlenmeyer 250 ml yang

berisi medium fermentasi (volume kerja 150 ml) diinkubasikan pada suhu 30 C

selama 120 jam.

7/22/2019 2009 Vip

36/88

Penentuan Aerasi dan Kadar Gula Total pada Medium Mandels Penentuan Aerasi Kultur Fed-Batch danBatch

Mengkaji fermentasi alkohol pada medium Mandels dengan kadar gula

total 6% (b/v) dan pengaturan aerasi fed-batch (anaerob ; anaerob dan aerob ;

anaerob), batch (anaerob) . Substrat dimasukkan ke dalam erlenmeyer (volume

250 ml) sebanyak 200 ml, 10% (v/v) inokulum S. cerevisiae koleksi Balitnak.

Pada jam ke-48 ke dalam kultur ditambahkan (fed) media baru dan diinkubasikan

selama 120 jam.

Peningkatan Optimasi Kadar Gula pada SubstratPada kondisi terbaik percobaan pengaturan aerasi penelitian dilanjutan

dengan meningkatkan kadar gula total 6, 12 dan18 % (b/v) dengan kondisi kultur

fed-batch secara anaerob ; anaerob. Substrat dimasukkan ke dalam erlenmeyer

(volume 250 ml) sebanyak 200 ml. Pada jam ke-48 ke dalam kultur ditambahkan

(fed) media baru dan diinkubasikan selama 120 jam.

Penelitan Utama

Fermentasi Alkohol dan Fermentasi Asam Asetat

KulturBatch

Perlakuan terbaik dari penelitian pendahuluan dilanjutkan dengan

penelitian utama dimana sebanyak 1000 ml substrat (pulp kakao diencerkan 3x

dengan medium Mandels) (Lampiran 1) ditambahkan sukrosa hingga total

padatan terlarut 18% Brix). Inokulasi S. cerevisiae ke dalam substrat sebanyak

10% (v/v) (Lampiran 2) selanjutnya diinkubasi selama 48 jam.

Pada fermentasi alkohol beberapa perlakuan yang dilakukan pada kultur

batchini meliputi :

o Kultur batch tanpa penambahan enzim selulaseo Kultur batch dengan penambahan enzim selulase 13.8 U/l medium

fermentasi pada jam ke-0

7/22/2019 2009 Vip

37/88

Etanol yang dihasilkan dari fermentasi alkohol pada jam ke-48 dilanjutkan

dengan fermentasi asam asetat dimana ke dalam bioreaktor ditambahkan

inokulum A. aceti sebanyak 10% (v/v) (Lampiran 2) diinkubasi selama 96 jam

dengan kecepatan agitasi 300 rpm dan aerasi 1.0 vvm.

KulturFed-BatchSebanyak 1000 ml substrat (pulp kakao diencerkan 3x dengan medium

Mandels) (Lampiran 1) ditambahkan sukrosa hingga kadar gula total substrat 18%

Brix). Inokulasi S.cerevisiae ke dalam substratsebanyak 10% (v/v) (Lampiran 2)

selanjutnya diinkubasi selama 96 jam. Pada jam ke-48 dilakukan pemanenan

sebanyak 500 ml selanjutnya ke dalam kultur tersebut ditambahkan kembali

substrat sebanyak 500 ml sehingga total substrat menjadi 1000 ml.

Pada fermentasi alkohol beberapa perlakuan yang dilakukan pada kultur

fed-batchini meliputi :

o Kultur fed-batch tanpa penambahan enzim selulaseo Kultur fed-batch dengan penambahan enzim selulase 13.8 U/l medium

fermentasi pada jam ke-48

Etanol yang dihasilkan dari fermentasi alkohol pada jam ke-96 dilanjutkan

dengan fermentasi asam asetat dimana ke dalam bioreaktor ditambahkan

inokulum A. aceti sebanyak 10% (v/v) (Lampiran 2) diinkubasi selama 96 jam

dengan kecepatan agitasi 300 rpm dan aerasi 1.0 vvm. Bagan alir produksi asam

asetat dapat dilihat pada Gambar 4.

7/22/2019 2009 Vip

38/88

Gambar 4. Diagram alir tahapan penelitian produksi asam asetat dari pulp kakao.

Fermentasi alkohol pada medium pulp kakao secara batch

dengan penambahan sukrosa 3.3% (b/v) dan inokulum 10%

(v/v) S. cerevisiaekoleksi IPB dan Balitnak

Fermentasi alkohol pada medium Mandels(gula 6% (b/v)) secara kultur fed-batch (anaerob ; anaerob

dan aerob ; anaerob) dan peningkatan optimasi kadar gulapada substrat 6, 12, dan 18% (b/v)

Fermentasi alkohol pada media pulp kakao secara kultur

batch danfed-batch (anaerob) diencerkan 3x dengan

medium Mandels, total padatan terlarut substrat 18% Brix

Fed-batchBatch

Penambahan

enzim selulase jam

ke-0

Tanpa penambahan

enzim selulase jam

ke-0

Fed & Penambahan

enzim selulase jam

ke-48

Fed &Tanpa

penambahan enzim

selulase jam ke-48

Etanol jam ke-96Etanol jam ke-96Etanol jam ke-48Etanol jam ke-48

Asam Asetat Asam Asetat

Penambahan 10% (v/v) inokulumA. aceti, kecepatan agitasi 300

rpm, kecepatan aerasi 1.0 vvm

Penambahan 10% (v/v) inokulumA. aceti, kecepatan agitasi 300

rpm, kecepatan aerasi 1.0 vvm

7/22/2019 2009 Vip

39/88

Parameter yang Diamati

Parameter yang diamati meliputi :

1. Analisis kadar gula reduksi pada fermentasi alkohol (Lampiran 3).2. Total padatan terlarut.3. Analisis kadar alkohol pada fermentasi alkohol dan fermentasi asam asetat

(Lampiran 3).

4. Dry weight pada fermentasi alkohol dan fermentasi asam asetat(Lampiran 3).

5. pH substrat pada fermentasi alkohol dan fermentasi asam asetat.6. Kadar asam asetat pada fermentasi asam asetat (Lampiran 3).7. Kenetika Fermentasi maks(jam-1), Y x/s, dan Y p/s.

Rancangan Percobaan

Urutan pengerjaan penelitian pada proses fermentasi alkohol yang

kemudian dilanjutkan dengan fermentasi asam asetat dilakukan mengikuti

Rancangan Percobaan Acak Lengkap Faktorial (Sudjana 1994). Faktor yang

diamati pengaruhnya adalah kultur batch dan fed-batch (S1, S2) serta faktor

penambahan enzim selulase 0, 13.8 U/l medium fermentasi (E1, E2,). Replikasi

ditetapkan sebanyak 2 kali. Model matematis dari rancangan yang digunakan

adalah sebagai berikut :

Y ijk= + Si+ Ej + (SE)ij+ ijk ... ( 6 )

Keterangan :

Y ijk = nilai variabel respon unit percobaan yang dikenai taraf ke-i faktor kultur

dan taraf ke-j faktor penambahan enzim selulase dengan ulangan ke-k

= rata-rata umum

Si = pengaruh kultur substratke-i (i = 1, 2, 3)

Ej = pengaruh penambahan enzim selulase ke-j (j = 1, 2, 3, 4)

(SE)ij = pengaruh kulturke-i dengan penambahan enzim selulase ke-j

ijk = error pada unit percobaan yang dikenai faktor S taraf ke-i, faktor E taraf

ke-j dengan ulangan ke-k.

7/22/2019 2009 Vip

40/88

Hipotesa dapat dirumuskan sebagai berikut :

1. H1; (S1) 0 (i = 1, 2, 3), dimana H0berarti tidak ada pengaruh faktor kulturyang digunakan terhadap respon yang diamati. H1berarti ada pengaruh faktor

kultur yang digunakan terhadap respon yang diamati.

2. H2 ; (E1) 0 (j = 1, 2, 3, 4), dimana H0 berarti tidak ada pengaruh faktorpenambahan enzim selulase terhadap respon yang diamati. H1 berarti ada

pengaruh faktor penambahan enzim selulase terhadap respon yang diamati.

3. H3 ; (SE)ij 0, dimana H0 berarti tidak ada pengaruh interaksi antara tarafke-i faktor kultur yang digunakan dan taraf ke-j faktor penambahan enzim

selulase terhadap respon yang diamati. H1 berarti ada pengaruh interaksi

antara taraf ke-i faktor kultur yang digunakan dan taraf ke-j faktor

penambahan enzim selulase terhadap respon yang diamati.H1dan H2menyatakan bahwa faktor S dan faktor E berpengaruh dalam

eksperimen. H3menyatakan bahwa terdapat pengaruh interaksi faktor S dan faktor

E terhadap respon yang diamati. Jika nilai F hitung > F dengan merupakan taraf

signifikasi, maka hipotesa akan diterima. Uji jarak berganda Duncan (Duncan

Multiple Range Test) dilakukan bila terdapat perbedaan yang signifikan dari

faktor perlakuan yang dicobakan atau hasil sidik ragam menunjukkan perbedaan

berpengaruh nyata.

7/22/2019 2009 Vip

41/88

HASIL DAN PEMBAHASAN

Penentuan Galur S. cerevisiae untuk Produksi Etanol

Khamir yang sering digunakan pada proses fermentasi alkohol adalahS. cerevisiaesedangkan beberapa bakteri juga mampu membentuk etanol sebagai

produk utamanya seperti ClostridiumdanZymomonas(Purawisastra et al. 1994).

Pada penelitian ini menggunakan galur S. cerevisiae dari koleksi IPB dan Balitnak

dalam proses fermentasi alkohol.

Sebelum dilakukan proses fermentasi dengan menggunakan bioreaktor,

maka terlabih dahulu perlu dilakuan penentuan galur S. cerevisiae dengan

penambahan sukrosa pada medium fermentasi untuk meningkatkan kadar etanol

pada skala erlenmeyer. Galur S. cerevisiae koleksi balitnak dengan penambahan

sukrosa 3.30% (b/v) menunjukkan produksi etanol tertinggi pada setiap hari

pengamatan dibandingkan dengan perlakuan lainnya (Gambar 5).

0

12

3

4

5

6

0 2 3 4 5

Waktu Fermentasi (Hari)

Etanol(%b/v)

(-) sukrosa & Biakan IPB (-) sukrosa & Biakan Balitnak

(+) sukrosa & Biakan IPB (+) sukrosa & Biakan Balitnak

Gambar 5. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium pulp

kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur S. cerevisiae.

7/22/2019 2009 Vip

42/88

0

1

2

3

0 2 3 4 5


GulaRedu

ksi(%b/v)

(-) sukrosa & Biakan IPB (-) sukrosa & Biakan Balitnak

(+) sukrosa & Biakan IPB (+) sukrosa & Biakan Balitnak

Gambar 6. Penurunan gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium pulp

kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur S. cerevisiae.

Galur S. cerevisiae koleksi balitnak dapat memanfaatkan substrat pada

medium pulp kakao dengan baik ini ditunjukkan dengan adanya penurunan kadar

gula reduksi pada medium pulp kakao (Gambar 6). Galur S. cerevisiae koleksi

balitnak (Gambar 6) memperlihatkan konsumsi substrat dalam hal ini gula reduksi

pada hari ke-3 sangat cepat dibandingkan dengan galur S. cerevisiae koleksi

koleksi IPB.

Penentuan Aerasi Kultur Batch danFed-Batch

Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya, maka penelitian fermentasi

alkohol dilanjutkan dengan menggunakan biakan S. cerevisiae koleksi Balitnak

serta penambahan konsentrasi gula ditingkatkan, sehingga diharapkan kadar

etanol yang dihasilkan juga dapat diperoleh hasil yang optimum dimana menurut

Barlina dan Lay (1994), kadar gula dalam substrat fermentasi etanol 10-12%

menghasilkan etanol sebesar 5-6%.

Pada penelitian ini dilakukan fermentasi alkohol dengan meningkatkan

gula total dari penelitian sebelumnya sebesar 6% (b/v) dengan pengaturan aerasi

kultur batch (anaerob) dan fed-batch (aerob ; anaerob dan anaerob ; anaerob).

S. cerevisiae merupakan khamir anaerob fakultatif, sehingga pada penelitian ini

bertujuan menentukan kondisi aerasi pada kultur batch danfed-batch yang terbaik

dalam produksi etanol. Gambar 7 menjelaskan bahwa etanol yang diproduksi hari

ke-5 pada kultur fed-batch dengan aerasi secara anaerob menghasilkan kadar

7/22/2019 2009 Vip

43/88

etanol tertinggi (5%) dibandingkan dengan perlakuan lainnya. Etanol yang

dihasilkan pada perlakuan kultur fed-batch dengan aerasi secara aerob-anaerob

hari ke-2 sebesar 5% lebih tinggi dari kedua perlukuan lainnya, dimana kondisi

aerob menyebabkan sel S. cerevisiae lebih cepat dalam pembelahan sel, namun

etanol yang dihasilkan hari ke-5 terlihat menurun dibandingkan secara anaerob.

Kondisi aerob atau konsentrasi glukosa tinggi sel S. cerevisiae dapat tumbuh

dengan baik, namun etanol yang dihasilkan rendah dibandingkan secara anaerob.

Pada kondisi anaerob, pertumbuhan sel lambat dan piruvat dari jalur katabolik

dipecah oleh enzim piruvat dikarbosilase menjadi asetaldehid dan karbon dioksida

(Hartoto 1991).

0

1

2

3

4

5

6

0 2 3 4 5


Etanol(%b/v)

Fed-batch (Anaerob-Anaerob) Fed-batch (Aerob-Anaerob) Batch (Anaerob)

Gambar 7. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium Mandelsdengan pengaturan aerasi dan kultur batch, fed-batch.

Perlakuan batch secara anaerob dari hari ke-2 hingga ke-5 tidak terjadi

perubahan dalam produksi etanol. Berbeda halnya dengan perlakuan fed-batch,

kultur batch tidak dilakukan penambahan substrat yang dapat diubah menjadi

etanol. Gambar 8 menjelaskan gula reduksi pada kultur batch terus menurun

selama inkubasi sesuai pendapat Roukas 1996, menyatakan bahwa kultur fed-

batch dibandingkan dengan kultur batch konvensional memiliki beberapa

keuntungan yaitu rendahnya konsentrasi gula tereduksi, tingginya konsentrasi

oksigen terlarut di dalam media dan penurunan waktu fermentasi sehingga dapat

meningkatkan produktivitas.

Fed

7/22/2019 2009 Vip

44/88

0

0.0008

0.0016

0.0024

0.0032

0.004

0 2 3 4 5


GulaReduksi(&b/v)

Fed-batch (Anaerob-Anaerob) Fed-batch (Aerob-Anaerob) Batch (Anaerob)

Gambar 8. Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium

Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch danfed-batch.

Jika dilihat dari kadar etanol yang dihasilkan, maka perlakuan fed-batch

anaerob menghasilkan etanol tertinggi (5%) bila dibandingkan dengan perlakuan

lain (4%). Perlakuan anaerob dengan adanya penambahan substrat mempengaruhi

pembelahan sel untuk pemanfaatan substrat yang tersedia dalam meningkatkan

produksi etanol (Gambar 7). Berbeda halnya dengan fermentasi sistem batch,

selama inkubasi tidak dilakukan lagi penambahan substrat ke dalam fermentor,

kecuali pemberian oksigen, antibuih dan asam atau basa untuk pengaturan pH.

Karena itu pada sistem tertutup ini, dengan semakin lamanya waktu fermentasi,laju pertumbuhan spesifik mikroorganisme semakin menurun sampai akhirnya

pertumbuhan berhenti. Penurunan dan berhentinya pertumbuhan disebabkan

karena semakin bertambahnya waktu fermentasi, sumber nutrisi dalam medium

semakin berkurang yang menurunkan laju pertumbuhan (Rahman 1992).

Peningkatan Optimasi Kadar Gula pada Substrat

Peningkatan optimasi kadar gula substrat dilakukan dengan mencari

konsentrasi optimal dimana galur S. cerevisiae dapat melakukan metabolisme

serta menghasilkan kadar etanol yang maksimal. Kadar gula total yang dicobakan

pada penelitian ini adalah 6, 12, 18% (b/v). Menurut Higins et al. (1984)

konsentrasi gula yang terbaik untuk fermentasi etanol adalah 16 25% yang akan

menghasilkan etanol sebesar 6 12%. Menurut Judoamidjojo (1990), jika

konsentrasi gula terlalu tinggi, maka akan berakibat buruk bagi khamir yang

Fed

7/22/2019 2009 Vip

45/88

digunakan, sehingga waktu fermentasi akan lebih lama, serta sebagian gula tidak

dapat dikonversi. Akibat apabila konsentrasi gula terlalu tinggi adalah dapat

menyababkan dehidrasi sel dalam larutan yang pekat.

0

2

4

6

8

10

12

0 2 3 4 5 6


Etanol(%

b/v)

Fed-batch anaerob 6% Fed-batch anaerob 12% Fed-batch anaerob 18%

Gambar 9. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium Mandels

dengan kadar gula total 6, 12, dan 18% pada kultur fed-batch

(anaerob).

Gambar 9 memperlihatkan perbedaan etanol yang dihasilkan pada ketiga

perlakuan tersebut. Terlihat bahwa kadar gula total sebesar 18% menghasilkan

etanol sebesar 10.35% sedangkan total gula 6 dan 12% etanol yang dihasilkan

masing-masing sebesar 2.05 dan 6.02%. Pada perlakuan gula total 18% hari ke-4

terlihat bahwa etanol yang dihasilkan terus meningkat hingga hari ke-6.

Gula reduksi pada perlakuan gula total 18% pada hari ke-4 (Tabel 3)

terlihat substrat yang tersedia semakin menurun namun produksi etanol hari ke-4

masih berjalan. Diduga sel S. cerevisiae tidak memanfaatkan substrat untuk

melakukan proses pembelahan dan peningkatan jumlah sel melainkan digunakan

untuk pembentukan produk akhir dalam hal ini etanol. Penurunan jumlah gula

reduksi yang digunakan pada medium menunjukkan bahwa pada kondisi

yang tidak terdapat suplai oksigen (anaerob), khamir akan melakukan proses

fermentasi yang akan merubah gula reduksi menjadi etanol dan CO2

(Judoamidjojo et al.1989).

Fed

7/22/2019 2009 Vip

46/88

Tabel 3. Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium

Mandels pada tiga kadar gula total dengan kulturfed-batch (anaerob)

Waktu

Fermentasi(Hari)

Fed-batchanaerob6%

Fed-batchanaerob12%

Fed-batchanaerob18%

% (b/v)

2 0.0052 0.0615 0.12654 0.0023 0.0020 0.0418

Penetapan kadar gula total ini dilakukan untuk mengetahui konsentrasi

total gula yang optimum untuk menghasilkan kadar etanol. Berdasarkan

Gambar 8, yang menunjukan bahwa kadar gula total 18% menghasilkan etanol

tertinggi, dengan demikian penelitian selanjutnya menggunakan bioreaktor, akan

dilakukan dengan peningkatan konsentrasi substrat sebesar 18%.

Penelitian Utama

Fermentasi Alkohol

KulturBatchFermentasi alkohol menggunakan kultur batch, dilakuan dengan perlakuan

penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi) pada jam ke-0.

Hasil dari proses fermentasi yang dilakukan pada sistem batch ini dapat dilihat

pada Gambar 10 dan 11, sedangkan untuk data awal pada perlakuan ini dapat

dilihat pada Lampiran 4.

0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48

Waktu Fermentasi (jam ke-)

Etanol(%

b/v)

TPT(%Brix)

0

4

8

12

16

20

DryWeight(g/l)

Etanol (% b/v) TPT (%Brix) Dry Weight (g/l)

Gambar 10. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan perubahan

biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol pada medium

pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase dengan menggunakan

sistem batch.

7/22/2019 2009 Vip

47/88

0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48


Etanol(%b/v)

TPT(%

Brix)

0

4

8

12

16

20

DryWeight(g/l)




pulp kakao dengan penambahan enzim selulase serta menggunakansistem batch.

Pada Gambar 10 dan 11 terlihat bahwa pola pertumbuhan dari

S. cerevisiae yang digunakan berbeda. Pada Gambar 10 dapat dijelaskan bahwa

fase stasioner terjadi pada jam ke-12 sedangkan pada Gambar 11 fase stasioner

terjadi pada jam ke-24. Adanya penambahan enzim selulase menyebabkan

perbedaan pertumbuhan selS. cerevisiae, dimana enzim selulase berperan dalam

pemanfaatan biokonversi selulosa untuk membentuk monosakaridanya yaitu

glukosa, oleh karena itu terdapat perbedaan konsentrasi gula reduksi dalam

medium yang mempengaruhi pertumbuhan sel (dry weight) dan pembentukan

etanol. Sejalan dengan pendapat Irawadi (1999) yang menjelaskan bahwa, gula

reduksi hasil degradasi enzim selulase dapat digunakan oleh S. cerevisiae untuk

pertumbuhan sehingga pada jam ke-24 sel berada pada fase eksponensial. Pada

fase ini kecepatan pertumbuhan sangat dipengaruhi oleh medium tempat

tumbuhnya seperti kandungan nutrient dalam hal ini gula reduksi (Gambar 12

dan 13 ).

Perlakuan batchtanpa penambahan enzim selulase (Gambar 10) pada jam

ke-12 sel memasuki fase stasioner dimana pada fase ini jumlah populasi sel tetap

karena jumlah sel tumbuh sama dengan jumlah sel yang mati. Aktivitas

metabolisme dari sel mulai menurun, sedangkan produksi metabolit masih

berjalan walaupun dengan laju pertumbuhan yang lebih rendah dibandingkan

7/22/2019 2009 Vip

48/88

berjalan walaupun dengan laju pertumbuhan yang lebih rendah dibandingkan

dengan fase sebelumnya. Hal ini dikarenakan habisnya nutrient yang dibutuhkan,

fase stasioner ini kemudian akan diikuti dengan fase kematian.

Hasil yang diperoleh berdasarkan uji lanjut Duncan 5% (Tabel 4)

menunjukkan bahwa perlakuan dengan dan tanpa penambahan enzim selulase

pada kultur batchtidak memberikan pengaruh yang berbeda nyata terhadap kadar

etanol (% b/v) yang dihasilkan pada jam ke-48. Kadar etanol yang dihasilkan

tidak berbeda disebabkan oleh selang pada kadar gula reduksi tidak terlalu besar

pada kedua perlakuan sehingga etanol yang dihasilkan juga hampir sama.

Medium fermentasi pulp kakao dengan total gula 18% brix yang di

inkubasi selama 48 jam pada Gambar 10 menghasilkan etanol sebesar 8.16% (b/v)

sedangkan Gambar 11 sebesar 8.32% (b/v). Hasil yang diperoleh pada penelitianini lebih efisien dalam penggunaan gula sebagai substrat dimana pada penelitian

lainnya yang menggunakan substrat pulp kakao dan S. cerevisiae, kadar etanol

yang dihasilkan sebesar 8% (b/v) dengan total gula sebesar 20% brix lama

fermentasi 48 jam (Asep 2008).

Etanol merupakan produk utama pada fermentasi anaerob, tetapi etanol ini

merupakan racun bagi khamir itu sendiri pada konsentrasi yang tinggi untuk itu

konsentrasi substrat awal harus diperhatikan agar dapat di metabolisme oleh

khamir dengan baik. Fungsi utama khamir adalah mengubah gula dalam substrat

menjadi etanol dan karbondioksida. S. cerevisiae yang digunakan pada penelitian

ini menghasilkan enzim invertase yang berfungsi sebagai pemecah sukrosa

menjadi monosakarida (glukosa dan fruktosa) serta enzim zimase yang mengubah

monosakarida tersebut menjadi etanol pada proses fermentasi. Purawisastra et al.

(1994) menyimpulkan bahwa medium gula pasir dengan biakan

Zymomonas mobilis dan penambahan enzim invertase dapat meningkatkan

konsentrasi etanol yang dihasilkan.

Pengukuran kadar gula reduksi perlu dilakukan untuk membandingkan

perubahan total padatan terlarut selama proses fermentasi sehingga dapat

diketahui konversi substrat menjadi produk akhir fermentasi serta pengaruh yang

ditimbulkan dari penambahan enzim selulase terhadap kadar gula reduksi.

Perbandingan gula reduksi dan total padatan terlarut pada perlakuan batch tanpa

7/22/2019 2009 Vip

49/88

Perbandingan gula reduksi dan total padatan terlarut pada perlakuan batch tanpa

enzim selulase dan perlakuan batch dengan penambahan enzim selulase dapat

dilihat pada Gambar 12 dan 13.

0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48


GulaReduksi(%b/v)

0

4

8

12

16

20

TPT(%Brix)

Gula Reduks i (% b/v) TPT (%Brix)

Gambar 12. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan

terlarut selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa

penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem batch.

0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48


GulaReduksi(%

b/v)

0

4

8

12

16

20

TPT(%

Brix)

Gula Reduksi (% b/v) TPT (%Brix)

Gambar 13. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan

terlarut selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan

penambahan enzim selulase dan menggunakan sistem batch.

Gambar 12 dan 13 menjelaskan bahwa kadar gula reduksi pada jam ke-36

telah habis seiring dengan pertumbuhan sel S. cerevisiae (dry weight)yang sudah

menurun namun sel tidak memanfaatkan substrat untuk melakukan proses

pertumbuhan serta peningkatan jumlah sel melainkan digunakan untuk

7/22/2019 2009 Vip

50/88

pembentukan produk akhir. Penurunan jumlah gula reduksi sejalan dengan

penurunan total padatan terlarut pada kedua perlakuan, dimana penurunan jumlah

substrat yang digunakan pada media menunjukkan bahwa pada kondisi yang tidak

terdapat suplai oksigen, khamir akan melakukan proses fermentasi yang akan

merubah gula menjadi alkohol dan CO2(Judoamidjojo 1989), lebih lanjut Hardjo

et al. (1991) menyatakan gula merupakan komponen terbesar total padatan

terlarut, peningkatan konsentrasi gula akan meningkatkan total padatan terlarut.

Pada kedua perlakuan terjadi penurunan pH, dapat dilihat pada

Gambar 14. Penurunan pH ini diduga disebabkan oleh akumulasi dari asam-asam

yang dihasilkan pada fermentasi alkohol tersebut.

3

4

5

6

0 12 24 36 48

Waktu fermentasi (jam ke-)

pH

Batch tanpa selulase Batch dengan selulase

Gambar 14. Perubahan nilai pH medium fermentasi alkohol menggunakan sistem

batchdengan dan tanpa penambahan enzim selulase.

Pada awal fermentasi pH yang digunakan adalah 4.8 5.2

(Romli et al. 2000). Gambar 14 memperlihatkan bahwa penurunan pH ini

kemungkinan disebabkan oleh akumulasi dari asam-asam yang dihasilkan pada

fermentasi alkohol. Asam piruvat yang terbentuk selama proses metabolisme

dimanfaatkan oleh sel S. cerevisiae untuk pembentukan etanol.

S. cerevisiaemampu mengkonsumsi substrat gula reduksi. Secara umum,

S. cerevisiae ini dapat tumbuh dan memfermentasi gula reduksi secara efisien

pada pH 3.5-6.0 dan suhu 28-35C (Ratledge 1991).

7/22/2019 2009 Vip

51/88

KulturFed-BatchSama halnya dengan sistem batch, pada sistem fed-batchjuga di lakukan

dengan 2 perlakuan yaitu dengan dan tanpa penambahan enzim selulase. Namun

pada kulturfed-batchdiinkubasi selama 96 jam dan dilakuan penambahan substrat

baru ke dalam medium fermentasi pada jam ke-48, yang disertai dengan perlakuan

penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi).

Hasil fermentasi yang dilakukan pada kultur fed-batchditunjukkan oleh Gambar

15 dan 16, sedangkan untuk data awal pada perlakuan ini dapat dilihat pada

Lampiran 5. Dari kedua perlakuan tersebut dapat terlihat bahwa pada awal

fermentasi terjadi penurunan total padatan terlarut dan gula reduksi (Gambar 17

dan 18). Penurunan konsentrasi total padatan terlarut ini disebabkan sel

menggunakan substrat untuk melakukan metabolisme untuk pertumbuhan dan

pembentukan sel baru (dry weight) serta memproduksi etanol, sejalan dengan

Judoamidjojo et al. 1989 yang menyimpulkan bahwa pada fase eksponensial,

semua sel mempunyai kemampuan untuk berkembang biak sehingga nutrien yang

ada banyak digunakan untuk pertumbuhan serta pembentukan sel baru.

0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48 48+ 60 72 84 96


Etanol(%b/v)

TPT(%Brix)

0

4

8

12

16

20

DryWeight

(g/l)


0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48 48+ 60 72 84 96


Etanol(%b/v)

TPT(%Brix)

0

4

8

12

16

20

DryWeight

(g/l)


0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48 48+ 60 72 84 96


Etanol(%b/v)

TPT(%Brix)

0

4

8

12

16

20

DryWeight

(g/l)


0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48 48+ 60 72 84 96


Etanol(%b/v)

TPT(%Brix)

0

4

8

12

16

20

DryWeight

(g/l)




pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase dengan menggunakan

sistemfed-batch.

Keterangan 48+ : 30 menit setelahfed.

Fed

7/22/2019 2009 Vip

52/88

0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48 48+ 60 72 84 96


Etanol(%b

/v)

TPT(%B

rix)

0

4

8

12

16

DryWeight

(g/l)


0

4

8

12

16

20

0 12 24 36 48 48+ 60 72 84 96


Etanol(%b

/v)

TPT(%B

rix)

0

4

8

12

16

DryWeight

(g/l)



biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol pada mediumpulp kakao dengan penambahan enzim selulase serta menggunakan

sistemfed-batch.

Keterangan 48+ : 30 menit setelahfed

Dari hasil penelitian yang ditunjukkan pada Gambar 15 fase ekponensial

terjadi pada jam ke-0 hingga jam ke-24 sedangkan Gambar 16 fase eksponensial

terjadi lebih singkat pada jam ke-0 hingga jam ke-12. Setelah penambahan

medium baru (fed) pada Gambar 15 terlihat bahwa, sel S. cerevisiae (dry weight)

kembali meningkat. Fase eksponesial terjadi 30 menit setelah penambahan

medium baru (fed) hingga jam ke-72. Sedangkan pada Gambar 16 terlihat bahwa

fase eksponensial terjadi 30 menit setelah penambahan medium baru (fed) hingga

jam ke-60.

Menurut Fiechter (1982), produktivitas sel S. cerevisiaemerupakan fungsi

dari konsentrasi glukosa, suhu dan pH. Glukosa merupakan reaktan dasar untuk

metabolisme khamir. Fungsi utama khamir dalam pembuatan etanol adalah

mengubah gula dalam substrat menjadi alkohol dan CO2. Frazier (1977),

berpendapat enzim yang dihasilkan S. cerevisiae adalah enzim ivertase yang

berfungsi sebagai pemecah sukrosa menjadi monosakarida (glukosa dan fruktosa),

serta enzim zimase yang mengubah monosakarida tersebut menjadi etanol pada

proses fermentasi.

Fed + Selulase

7/22/2019 2009 Vip

53/88

Berdasarkan Gambar 15 dan 16, etanol yang dihasilkan pada jam

ke-96 berturut-turut sebesar 9.07% (b/v) dan 9.70% (b/v). Uji Duncan 5%

terhadap interaksi kultur batch dan fed-batch dan penambahan enzim selulase

tidak berbeda nyata terhadap kadar etanol demikian halnya dengan faktor tunggal

penambahan enzim selulase. Namun kadar etanol pada perlakuan kultur batch

(8.23%) berbeda nyata terhadap kultur fed-batch (9.38%). Hasil selengkapnya

dapat dilihat pada Tabel 4.

Uji Duncan 5% menunjukkan penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l

medium fermentasi) tidak berbeda nyata terhadap pembentukan kadar etanol. Hal

ini disebabkan oleh masih tersedianya gula reduksi yang cukup banyak pada

substrat sewaktu penambahan enzim selulase yang menyebabkan enzim selulase

tidak aktif. Kondisi ini dikenal sebagai efek inhibisi, namun enzim selulase tidakterikat oleh substrat sehingga dapat kembali aktif memproduksi gula reduksi saat

persediaan gula pereduksi pada medium telah habis. Pada penelitian ini gula

reduksi habis pada jam ke-72 (Gambar 18) sedangkan perlakuan penambahan

enzim dilakukan pada jam ke-48 sehingga penambahan enzim selulase kurang

efektif yang disebabkan oleh inkubasi yang terlalu lama. Hal ini sesuai dengan

penjelasan Darwis (1995) bahwa konsentrasi yang tinggi dari selobiosa atau

sumber karbon yang dapat cepat di metabolisme seperti glukosa dapat

menghambat aktivitas selulase. Lebih lanjut Koesnandar (2001) menyatakan

bahwa proses hidrolisis enzimatis secara bertahap dari selulosa menjadi glukosa di

pengaruhi faktor penghambat yang sangat menentukan di dalam biokonversi

selulosa menjadi etanol. Faktor penyebab utamanya ialah adanya penghambatan

produk terutama selobio

2009 vip

Documents