Download - Fermentasi
INDUSTRI FERMENTASI
Disusun untuk memenuhi Tugas Proses Industri Kimia 1
Dosen Pengampu :
Prof. Dr. Ir. Chandrawati Cahyani, M.S.
Oleh :
Ilham Nururrohim (135061100111004)
Kelas B
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
2014
PengumpulanRabu,
17 Desember 2014
Pendahuluan
Fermentasi dapat di artikan sebagai semua proses mikrobiologi yang dikontrol oleh
manusia sehingga menghasilkan produk bermanfaat. Fermentasi terjadi karena adanya
aktivitas mikroorganisme. Dengan megetahui aktivitas dan fungsi mikroorganise tersebut,
fermentasi kemudian dapat dikontrol. Dalam proses fermentasi, mikroorganisme di
umpankan pada vesel berisi materi organik sebagai sumber nutrisi mikroorganisme.
Mikroorganisme ini kemudian akan tumbuh dan merubah materi organik tersebut menjadi
produk metabolisme yang dapat dimanfaatkan. Berikut adalah 5 prinsip dasar dari proses
fermentasi yang baik:
1. Sebuah mikroorganisme yang dapat membentuk produk akhir yang diinginkan.
Organisme ini harus mudah diperbanyak dan mampu mempertahankan keseragaman
biologis, sehingga memberikan produk yang diinginkan.
2. Bahan baku yang ekonomis untuk substrat.
3. Hasil produk dapat diterima.
4. Proses fermentasi yang berjalan cepat.
5. Sebuah produk yang mudah diperoleh dan dimurnikan.
Faktor-faktor tertentu harus ditekankan berhubungan dengan konversi fermentasi bahan
kimia, seperti mikroorganisme, peralatan, dan fermentasi itu sendiri. Beberapa faktor yang
mempengaruhi fermentasi adalah pH, suhu, aerasi-agitasi, kultur-murni fermentasi dan
keseragaman hasil produk. Mikroorganisme harus berkembang relatif mudah dan dapat
diterapkan pada kondisi lingkungan.
Alkohol (Etanol)
Alkohol dapat diproduksi sebagai bahan pembuatan minuman beralkohol dan alkohol
untuk keperluan selain minman. Alkohol untuk keperluan selain minuman ini terdiri dari
campuran berbagai macam subtansi yang sulit dipisahkan dari alkohol dan menimbulkan bau
dan rasa yang tajam. Alkohol dapat dibuat dengan cara fermentasi atau pun dengan cara
sintesis. Alkohol merupakan solvent (pelarut) ke dua setelah air yang sering digunakan dalam
berbagai macam industri.
Bahan Baku
Alkohol dapat dibuat dari etilen dan berbagai macam pengolahan senyawa sintesis
lainnya. Alkohol juga dapat dibuat dari hidrolisis material selulosa, kayu, libah kayu dan
sulfit liquor. Bahan baku lainnya yang dapat digunakan dalam proses fermentasi alkohol
yaitu molasses, jagung dan berbagai macam sumber karbohidrat lainnya.
Karbohidrat harus dipecah terlebih dahulu menjadi monosakarida berupa glukosa
dengan bantuan enzim. Glukosa yang didapatkan kemudian dikonversi menjadi alkohol
dalam proses fermentasi.
Reaksi pemecahan polisakarida menjadi monosakarida
Reaksi fermentasi alkohol
Pada proses fermentasi selalu mengandung gliserin dalam jumlah yang kecil,
sehingga di akhir proses fermentasi, kadar glisrin dan keasamannya akan meningkat.
Proses Pembuatan Alkohol (Etanol)
Gambar 1. Diagram alir industri alkohol
Jagung atau molases sebagai bahan baku fermentasi harus dilakukan proses
degerminated, dehulled dan demilled untuk mendapatkan bahan baku dalam bentuk serbuk.
Bahan baku kemudian dicampur dengan air dan stillage (beer hasil fermentasi dengan kadar
alkohol sedikit dari keluaran bagian bawah penyulingan beer). Bahan baku yang telah
menjadi bubur (mash) tersebut mengalami precooked selama 1 sampai 5 menit. Mash masuk
ke dalam pemanas steam selama 1,5 menit dengan tekanan 60 sampai 100 kPa yang akan
menaikan suhunya menjadi 175ºC. Kemudian mash masuk ke dalam flash chamber untuk
memisahkan uap yang terbentuk. Suhu mash yang keluar dari flash chamber menjadi 60ºC.
Gelatin mash kemudian dicampurkan dengan barley malt dan air. Campuran tersebut
dipompakan ke dalam konverter selama 2 menit pada 60ºC. Didalam konverter akan terjadi
reaksi hidrolisis karbohidrat menjadi 70% maltosa dan 30% dekstrin dengan bantuan enzim
amilase dalam bentuk barley malt amylase. 20-25% stillage ditambahkan ke dalam mash
yang telah dikonversi untuk menurunkan pH, pelengkap nutrisi bagi yeast dan sebagai buffer.
Campuran tersebut kemudian masuk ke daam fermentor melalui pipa pendingin.
Sementa itu, yeast telah diaktifkan di dalam yeast tube dengan ditambahkan mash
yang telah dikonversi yang sebelumnya telah mengalami sterilisasi pada tekanan rendah dan
telah didinginkan. Yeast yang digunakan hanya 10% dari total volume. pH awal diatur
sebesar 4,8-5 dengan adanya asam sulfat atau stillage. Reaksi fermentasi merupakan reaksi
eksotermis sehingga memerlukan pendinginan agar suhu tidak melebihi suhu maksimum bagi
yeast yaitu sebesar 32ºC. Fermentasi berlangsung selama 40-72 jam.
Cairan yang terbentuk dari hasil fermentasi disebut beer. Kemudian beer didistilasi
untuk memisahkan alkohol. Beer mengandung 6,5-11% volume alkohol dan dipompa ke
bagian atas penyulingan, setelah melewati beberapa heat exchanger. Produk bagian bawah
penyulingan berupa cairan yang telah kehilangan komponen bertitik didih rendah yang
dikeluarkan daribagian bawah kolom penyulingan (stillage). Stillage ini mengandung protein,
residu gula, dan beberapa produk vitamin. Produk atas yang mengandung alkohol, air dan
aldehyde dikondensasi. Kondensat masuk ke dalam kolom penyulingan ke dua untuk
memisahkan impuritis bertitik didih rendah terutama aldehid.
Pada kolom penyulingan ke tiga, alkohol mengalami proses pemurnian kembali.
Produk atas kolom akan melewati dephlegmator yang akan mengkondensasi sebagian untuk
mendapatkan alkohol yang lebih murni. Produk yang lebih volatil mengandung aldehiddan
tentunya alkohol dikondensasi seluruhnya dan masuk kembali ke dalam kolom penyulingan
aldehid. Di dekat kolom atas akan terbentuk 95-95,6% alkohol yang melewati kondensor
untuk disimpan dan dijual. Di dekat kolom bawah akan terbentuk fusel oil yang kemudian
didinginkan dan dipisahkan dari alkohol yang terdapat di dalamnya sebelum dijual sebagai
amyl alkohol yang digunakan sebagai pelarut. Kolom bagian bawah akan menghasilkan air.
Gambar 2. Suhu vs komposisi uap dan zat cair untuk alkohol-air pada tekanan 101
kPa
Campuran alcohol air direktifikasi untuk menambah komponen alcohol. Gambar 2
menunjukkan kurva di mana komposisi uap air berada dalam kesetimbangan dengan zat cair
yang ditunjukkan dengan garis horizontal. Alcohol yang dihasilkan dari proses rektifikasi
tidak dapat lebih dari 95.6% karena seperti yang terlihat pada gambar 2, air berwujud
campuran constant-boiling biner, di mana mempunyai titik didih lebih rendah daripada
absolute atau anhydrous alcohol.
Alkohol Absolut
Alkohol absolut merupakan alkohol yang terbentuk dari penghilangan 4-5% dalam
95-96% alkohol dengan cara distilasi. Etil alcohol dan air berwujud azeotrop dengan 95%
volume alcohol. Berbagai metode sudah disarankan untuk menghilangkan 5% air untuk
menghasilkan 100% alcohol.
Gambar 3. Diagram ternary air-alkohol-benzena
Gambar 3. menunjukkan tiga campuran pada sistem yang menggunakan benzena
sebagai komponen ketiga, campuran dua homogen, satu heterogen, dan satu ternery.
Campuran ternery adalah komposisi yang memiliki titik didih paling rendah pada sistem yaitu
64,85ºC yang ditujukan pada titik F. Komposisi awal campuran dimulai dari garis lurus
terletak pada garis CF yang memastikan penghilangan campuran konstan-titik didih yang
akan meninggalkan alkohol anhidrous dalam penyulingan. Jika pemulaian campuran disusun
dengan menambahkan benzen ke dalam 95% alkohol, maka komposisi harus terletak pada
garis EB, oleh sebab itu komposisi dimulai pada titik G, distilasi kontinyu memberikan
ternery campuran konstan-titik didih (64,85ºC) pada kolom bagian atas dan absolut alkohol
(78,3ºC) pada kolom bagian bawah.
Proses Pembuatan Alkohol Absolut
Gambar 4. Diagram alir pembuatan alkohol absolut
Alkohol 96% masuk ke dalam kolom A dengan adanya penambahan benzen. Setelah
mengalami proses distilasi, campuran ternery akan menguap dan menjadi produk atas pada
kolom dan alkohol absolut diperoleh di bagian bawah kolom. Campuran ternery
dikondenssasi dan dilewatkan pada separator B sehingga membentuk 2 lapisan cairan.
Lapisan atas kaya akan benzena yang dikembalikan pada kolom A sebagai refluks, sedangkan
lapisan bawah akan masuk ke dalam kolom C yang menghasilkan campuran ternery sebagai
produk atas dan benzena yang tidak mengandung alkohol sebagai produk bawah. Produk
akhir dialirkan ke dama kolom D yang menghasilkan 95% alcohol dan produk bawahnya
berupa air yang hampir murni. Dalam proes ini, benzene direcycle dan hanya dibutuhkan
ketika benzene hilang dari system.
Selain metode distilasi, terdapat metode baru dalam menghasilkan absolut alkohol
yaitu dengan menggunakan selulosa atau cornmeal untuk mengadsorb air. Aluminium oksida
dan silicon oksida merupakan absorben yang biasa digunakan. Metode lain yang menjanjikan
adalah menggunakan CO2 cair untuk mengekstrak etanol dan kemudian didepressurisasi
untuk memadamkan CO2. Pelarut lain seperti dibutil phtalat yang tidak larut dengan air tetapi
merupakan pelarut yang baik untuk etanol.
Beer, Wine and Liquor
Bahan Baku
Biji-bijian dan buah-buahan yang mengandung karbohidrat tinggi merupakan bahan
baku utama dari pembuatan minuman beralkohol. Di dunia, bahan baku yang sering
digunakan adalah sereal, jagung, gandum, nasi dan buah anggur.
Proses Pembuatan Beer
Beer merupakan minuman beralkohol dengan kadar alkohol rendah yaitu sekitar 2-7%
yang terbuat dari sereal dan beberapa bahan tambahan (malt adjunct) seperti nasi atau jagung.
Sereal yang digunakan yaitu gandum (barley). Barley harus dikonversi terlebih dahulu
menjadi malt (kecambah biji-bijian yang telah dikeringkan) dengan cara germinasi parsial.
Malt ini merupakan enzim yang dihasilkan dari pertumbuhan kecambah pada barley.
Malt dibuat dengan cara merendam barley di air dingin kemudian ditebarkan di lantai
dan ditunggu selama 5-8 hari. Lapisan akan menipis secara berangsur-angsur selama proses
germinasi berlangsung. Ketika enzim telah terbentuk, pertumbuhan kecambah dihentikan
dengan cara pemanasan. Selama pertumbuhan, oksigen diadsorb, CO2 dikeluarkan dan enzim
diastase terbentuk. Enzim ini yang berperan dalam mengubah karbohidrat terlarut menjadi
maltosa yang akan dipecah kembali oleh enzim maltase menjadi monosakarida glukosa yang
siap difermentasi oleh yeast.
Gambar 5. Diagram alir proses pembuatan beer
Terdapat tiga proses utama dalam pembuatan beer yaitu pembuatan mash, fermentasi
dan penyimpanan. Mash dibuat dengan cara ekstraksi bahan baku. Ekstraksi dilakukan
dengan merendam bahan baku di dalam air. Perendaman ini juga berfungsi agar pH tidak
naik yang akan memberikan warna hitam pada beer. Mash kemudian dimasak dalam tangki
pemasak bertekanan. Pada proses ini, karbohidrat yang tidak larut dikonversi menjadi cairan
karbohidrat (liquefied starch) dan karbohidrat yang larut dikonversi menjadi dextrin dan gula.
Setelah dimasak, mash masuk ke dalam mash tube untuk meningkatkan temperaturnya
menjadi 75ºC untuk melarutkan semua ekstrak malt cair (wort) dari bahan baku. Wort ini
kemudian dipisahkan dari biji-bijian yang mungkin masih tertinggal.
Wort dimasak selama 1-1,5 jam yang bertujuan untuk memekatkannya, mensterilisasi,
merusak semua enzim dan untuk menggumpalkan protein pada suhu 82ºC. Selama
pemasakan, penambahan hop dilakukan. Penambahan tersebut bertujuan untuk menambah
rasa pada beer yang dihasilkan. Setelah proses pemanasan selesai, wort dipisahkan dari hop
di dalam whirlpoor separator. Wort didinginkan didalam plate heat exchanger hingga
mencapai suhu 48ºC yang dilanjutkan dengan proses aerasi. Proses pendinginan ini tidak
hanya dengan menurunkan temperatur tetapi juga membiarkan wort agar mengadsorb udara
untuk memfasilitasi permulaan proses fermentasi. Udara yang digunakan harus disterilisasi
terlebih dahulu untuk mencegah adanya kontaminan.
Wort yang telah didinginkan kemudian dicampur dengan yeast ke dalam fermentor.
Selama proses fermentasi berlangsung, temperatur larutan akan semakin meningkat, sehingga
perlu adanya pendingin untuk menjaga temperatur agar tetap tidak melebihi batas maksimum
bagi yeast.
Yeast secara berangsur-angsur akan mengendap di bawah fermentor dalam 7-10 hari
sehingga menghasilkan cairan bening yang di atasnya ditutupi dengan busa. Beer yang telah
terbentuk masuk ke dalam lagering tank yang biasanya merupakan tempat terjadinya proses
fermentasi kedua. Pada proses ini, suhu tetap dibiarkan tinggi untuk memulai proses
fermentasi yang kemudian didinginkan dan disimpan pada suhu 0-2ºC selama 1 sampai 4
bulan. Selama proses penyimpanan ini, kualitas rasa dan aroma beer akan meningkat dan
resin serta protein akan mengendap. Beer kemudian disaring melewati membran yang akan
menghilangkan residu sel yeast. Selama proses fermentasi juga ditambahkan enzim gloko
amilase yang dapat mengkonversi karbohidrat yang tidak terfermentasi menjadi glukosa yang
kemudian difermentasi menjdai etanol.
Beer mengandung 90% air dan dapat dipekatkan dengan cara dehidrasi menjadi ¼
dari volume awalnya. Kristal es akan terbentuk di bawah titik beku air dan dipisahkan dari
beer.
Proses Pembuatan Wine
Wine pada saat ini dibuat dari fermentasi buah anggur. Red wine terbuat dari buah
anggur berwarna merah atau hitam. Warna dari wine yang dihasilkan tergantung dari warna
alami dari buah anggur yang digunakan. Buah anggur masuk ke dalam crusher untuk
dihancurkan menjadi pulp dan dipisahkan dari batagnya. Pulp tersebut dipompa ke dalam
tangki fermentasi. Yeast sejumlah 3-5% dan asam sulfat ditambahkan ke dalam tangki
fermentasi. Asam sulfat berfungsi untuk menurunkan pH dari larutan, karena yeast yang
digunakan dapat tumbuh optimum dalam kondisi asam. Selama fermentasi, temperatur akan
semakin meningkat sehingga perlu adanya koil pendingin untuk menjaga suhu larutan agar
tidak melebihi 30ºC yang merupakan batas maksimum untuk yeast tumbuh optimum.
Gas karbondioksida yang dihasilkan akan membawa biji anggur ke permukaan
sehingga warna dan tannin dari biji anggur dapat terekstraksi. Ketika proses fermentasi akan
berakhir, larutan bagian bawah dipompa ke atas sehingga dapat teraduk dan merata. Pada
akhirnya, wine di simpan dan didiamkan kembali selama 2-3 minggu agar gula yang masih
tersisa dapat terfermentasi. Wine masih harus dilakukan cellar treatment yaitu pendiaman
wine kembali selama 6 minggu untuk menghilangkan bahan-bahan yang mudah mengendap.
Wine yang dikomersialkan pada umumnya akan ditambahkan dengan wine jenis lainnya,
gula, asam dan tannin.
Proses Pembuatan Spirtus
Gambar 6. Diagram alir proses pembuatan spirtus
Spirtus dibuat dari distilasi wine atau marc, dimana serat tertinggal oleh pemerasan
dan penyaringan. Hasil dari distilasi ini kemudian dicampur dengan jagung, gandum dan rye
yang kemudian difermentasi. Wiskey yang telah terbentuk dimasukan ke dalam gudang
yang suhunya dijaga hingga 18 sampai 30 oC dan kelembapannya 65 hingga 70%,selama 1
hingga 5 tahun.Selama evaporasi dari kadar whiskey yang menghilang. Distilasi dari still
spirit dibawah 160 proff, yang selanjutnya diencerkan hingga 100 sampai 110 proof. Ini
merupakan alkohol yang tidak murni tapi mengandung sedikit perbedaan konstituent, secara
umum dikelaskan bersama sebagai kongenerik, yang oleh reaksi itu sendiri dengan yang lain
maupun dengan alkohol,dengan absopsi. Keduanya dikatalis oleh arang dari kayu, membantu
besar dalam pemberian rasa maupun bouquet. Pemeraman wiskey juga mengekstrak warna
dan produk lain dari oak putih yang diarangkan. Perubahan wiskey seperti alamiah muncul
sama seperti pemeraman minuman keras dan rum.
Proses Pembuatan Butil Alkohol dan Aseton
Pada awalnya, aseton dibuat dari distilasi kalsium asetat dari asam poligneous.
Aseton yang digunakan untuk manufaktur smokeless powder, dihasilkan dari proses
pemanfaatan fermentasi pati yang mengandung grains untuk menghasilkan yield aseton dan
butil alkohol dengan strain Clostridium acetobutylicum. Fermentasi tersebut menghasilkan
dua butil alkohol terhadap satu aseton. Saat ini, bahan baku menggunakan molases sedang
dikembangkan di mana bahan ini menghasilkan rasio pelarut 3 butil alkohol terhadap 1
aseton. Selain itu, aseton juga diproduksi dengan fenol melalui oksidasi kumen atau
dehidrogenasi isopropil alkohol.
Riboflavin diproduksi secara komersial sebagai by-product dari fermentasi aseton-
butil-alkohol, tetapi dengan konsentrasi rendah. Saat ini terdapat banyak pengembangan
proses biologi yang lebih efisien dibandingkan proses-proses yang telah ada.
Proses Pembuatan Vinegar dan Asam Asetat
Asam asetat encer murni akan dihasilkan pada proses fermentasi alkohol murni.
Secara teori, akan menghasilkan yield antara 80-90%. Penambahan air harus dilakukan
sebagaimana persamaan berikut:
Karena reaksinya eksotermis, alkohol dapat hilang secara perlahan, melepaskan
panas hilang, atau dapat di resirkulasi dengan pendinginan khusus. Apabila sari buah apel,
gandum, atau wine difermentasi, kandungan asam asetat yang dihasilkan memiliki komposisi
vinegar tidak lebih dari 5% karena keterbatasan kandungan gula. Apabila alkohol encer
digunakan sebagai raw material, asam asetat yang dihasilkan mencapai 12 atau 14% yang
mana kadar keasaman dari bakteria mencapai titik maksimum. Apabila jus buah
dikembalikan menjadi vinegar, maka akan terbentuk ester tertentu, yang bahan dasarnya
bervariasi. Dengan demikian, memberikan karakteristik aroma. Asam asetat sintetis dibuat
dari etilen, atau melalui trating metanol dengan karbon monoksida.
Proses Pembuatan Asam Sitrat
Gambar 7. Diagram alir proses pembuatan asam sitrat
Proses pembuatan asam sitrat meliputi purifikasi sirup gula dekstrosa (2-8) yang
melibatkan rotary vacuum filter (3) untuk menghilangkan padatan yang mengendap setelah
partial dilution. Kemudian diikuti dengan sel penukar-kation (6) untuk reduksi trace elemen
dan pemanas flash pasteurisasi (7), menahan loop (7a), dan pendingin sirup (8). Sirup
dipompa menuju fermentor (9) dan inokulum (1). pH diatur dan nutrien ditambahkan. Udara
steril dari filter dan flowmeter dialirkan (10) ke fermentor (9). Proses fermentasi
mengkonversi molekul gula heksosa menjadi molekul asam sitrat dengan 6 karbon (9).
Pemurnian dan pemulihan asam yang dihasilkan. Liming menggunakan slurry susu kapur
(19), dan terakhir dekomposisi sitrat menggunakan asam sulfat (19). Kalsium sulfat yang
terbentuk dari dekomposisi ini difilter sebagai limbah hasil samping (20,23). Pengolahan
karbon granular dalam fixed beds (25,26), yang diikuti dengan demineralisasi beds yang
terdiri dari resin penukar kation dan anion (27,28). Evaporator efek ganda atau tripel (29)
memberi umpan menuju separate crystallizer (30) dan centrifuge (31). Liquor induk direcycle
antara umpan ke sel karbon (32) atau ke liming tank (33). Kristal asam sitrat lembab
dilelehkan kembali (35) dan dikristalisasi secara vakum (36). Proses ini diikuti dengan
centrifugasi (37), pengeringan (39), klasifikasi ukuran (40), dan pengemasan (41).
Proses Pembuatan Asa Laktat
Asam laktat dibentuk dari fermentasi gula susu (laktosa) oleh Streptococcus lactis.
Secara komersial, asam laktat diproduksi dengan fermentasi terkontrol gula heksosa dari
molase, jagung, atau susu.
Senyawa-senyawa Lain
Monosodium Glutamate dapat diperoleh langsung dari fermentasi karbohidrat
dengan Micrococcus glutamicus atau Breoibacterium dioaricatum.
L-Lysine dapat dibentuk oleh mikroorganisme yang bekerja pada karbohidrat.
Organisme yang biasanya adalah Micrococcus glutamicus, Brevtbaderium fiaoum,
Corynebacterium aoetoglu-tamicum, dan Microbacterium ammoniaphitum. Masing-masing
organisme ini memerlukan kondisi khusus dan / atau aditif khusus untu menghasilkan produk
dalam hasil yang baik.
Dihidroksiaseton (HOCH2COCH2OH) dibuat oleh aksi sorbose bakteri fermentasi
gliserin.
Produk Farmasi sperti antibiotik, biologi, vitamin, dan hormon dibuat dengan cara
fermentasi. Mikroorganisme yang dikendalikan adalah agen pengolahan kimia yang paling
penting dan membantu dalam melakukan reaksi kimia yang sangat rumit, dalam banyak
kasus lebih ekonomis daripada konversi murni kimia.
Enzim seperti amilase paling penting dari karbohidrase. Salah satu aplikasi baru
adalah penggunaan glukosa isomerase mengubah glukosa menjadi fruktosa. Enzim ini sering
dibuat melalui fermentasi terendam, dimulai dengan cairan jagung dan tepung maizena.
Campuran ini, setelah sterilisasi yang tepat dan pendinginan, diinokulasi dengan Bacillus
subtilis dan difermentasi. Amilase dapat diisolasi oleh pengendapan dengan alkohol isoamil
dan ligasi centrif. Amilase lebih diproduksi secara komersial daripada enzim lainnya.