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.