10.bab 4 fix-hsl jilid
Post on 22-Dec-2015
41 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
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.
top related