Saccharomyces cerevisiae Bioethanol Production from Cassava with Vinasse Recycle for Fermentation

mereduksi menjadi ion amoniak. Khamir selain membutuhkan unsur nitrogen juga memerlukan unsur fosfor dan unsur logam seperti magnesium, besi, kalsium dan seng untuk pertumbuhannya. Untuk dapat bertahan hidup, S. cerevisiae membutuhkan nutrien yang diperoleh dari medium perkembangbiakkannya seperti NH 4 2 SO 4 , MgSO 4 .7H 2 O, KCl, CaCl 2 , P 3 PO 4 5 , ekstrak ragi, air, dan glukosa. S. cerevisiae merupakan mikroorganisme yang dapat dikultivasi pada kondisi aerobik dan anaerobik, produk yang dihasilkan pada kedua kondisi tersebut berbeda. S. cerevisiae pada kondisi aerobik akan menghasilkan individu baru, sedangkan pada kondisi anaerobik dihasilkan produk utama yang dapat berupa etanol dimana hasilnya tergantung pada konsentrasi awal biomassa. Setiap individu sel juga dapat dipandang sebagai fermentor dalam skala mikroskopik. Reaksi-reaksi ini terjadi secara simultan dan diatur oleh pengontrol dari internal sel itu sendiri. Kontrol ini mengatur sel untuk memodifikasi laju reaksi dan kemampuan memproduksi berdasarkan pada lingkungan dan ketersediaan nutrisi. Lebih dari itu, pertumbuhan populasi sel juga menunjukan keheterogenan sel. Setiap individu sel dapat memiliki tahap pertumbuhan yang berbeda. Aktifitas metabolisme sel untuk setiap fasa berbeda. Reaksi fermentasi tergantung pada gula yang digunakan dan hasil produksi. Substrat yang paling umum digunakan pada fermentasi adalah glukosa C 6 H 12 O 6 dan menghasilkan dua molekul etanol C 2 H 5 OH, ini adalah reaksi dari ragi, dan sering digunakan dalam produksi makanan. Gula glukosafruktosa  Alkohol etanol + Karbon dioksida + energiATP Faktor-faktor yang mempengaruhi pertumbuhan dari khamir ini antara lain: a. Kondisi lingkungan Suhu, pH, dan oksigen terlarut Dissolved Oxygen-DO merupakan faktor kondisi lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme. Oleh karena itu, perlu diatur sedemikian rupa agar pertumbuhan biomassa dapat optimal. Khamir bersifat anaerobik fakultatif. Khamir dalam kondisi anaerobik akan melakukan proses fermentasi dengan mengkonversi glukosa menjadi etanol, sedangkan khamir akan menjalani fase pertumbuhan dengan keadaan sedikit oksigen. Kadar oksigen yang dibutuhkan oleh khamir untuk bertumbuh adalah 0,05-0,10 mmHg tekanan oksigen. Proses fermentasi anaerobik tidak membutuhkan oksigen lebih dari itu, karena oksigen yang berlebihan akan mendorong pertumbuhan khamir dengan cepat dan mengkonsumsi glukosa Trust 2008. S. cerevisiae memerlukan suhu 30 o C dan pH berkisar 4 hingga 4,5 agar dapat tumbuh dengan baik Sassner 2008. b. Konsumsi glukosa Khamir memerlukan waktu beberapa menit agar dapat mengkonsumsi glukosa secara maksimal ketika umpan glukosa dialirkan ke dalam kultur. Kapasitas penuh konsumsi glukosa akan hilang jika sel-sel tidak dirangsang dengan konsentrasi glukosa yang lebih tinggi untuk beberapa jam. Secara kinetik glukosa berperan ganda, pada konsentrasi rendah kurang dari 1 gl merupakan substrat pembatas, sedangkan pada konsentrasi tinggi lebih dari 300 gl akan menjadi penghambat Mangunwidjaja 1994. Gaur 2006 mengatakan bahwa konsentrasi gula dalam substrat yang umum digunakan di dalam industri adalah sebesar 16-18. Apabila konsentrasi gula lebih tinggi dari 18 akan menyebabkan tekanan osmotik yang mengurangi efisiensi proses fermentasi. c. Adaptasi terhadap etanol Setelah waktu yang lama 100 jam, sel-sel khamir beradaptasi terhadap konsentrasi etanol yang lebih besar. Proses respirasi dipengaruhi oleh konsentrasi etanol yang ada di dalam substrat. Kadar etanol pada kadar 40 gl akan menjadi penghambat baik untuk pertumbuhan biomassa maupun produksi etanol Mangunwidjaja 1994. d. Sensitivitas terhadap berbagai efek Penundaan konsumsi glukosa hanya berpengaruh jika kultur yang dikultivasi dalam waktu yang lama dengan konsentrasi glukosa rendah dipaksakan dengan konsentrasi glukosa yang lebih besar. Penundaan respirasi menyebabkan pembentukan etanol karena jumlah umpan yang terlalu besar dan menyebabkan timbulnya hambatan respirasi tambahan karena etanol Präve et al. 1987. Kebutuhan unsur mikro diperlukan di dalam kehidupan khamir. Pada jumlah rendah fosfor, sulfur, potasium dan magnesium diperlukan untuk sintesis komponen-komponen mineral. Beberapa mineral Mn, Co, Cu dan Zn dan faktor pertumbuhan organik asam amino, asam nukleat dan vitamin diperlukan dalam jumlah besar sehingga perlu ada tambahan nutrien ke dalam media dalam bentuk komponen tunggal seperti garam amonium dan potasium fosfat Kosaric et al. di dalam Subekti 2006.

2.3 Produksi Etanol

Pembuatan etanol dapat dilakukan dari bahan yang mengandung glukosa. Glukosa pada mahluk hidup terdapat dalam bentuk polimer seperti pati, selulosa dan oligosakarida. Polisakarida dan oligosakarida harus dipecah menjadi molekul monosakarida agar dapat dipergunakan oleh khamir menjadi etanol. Proses pemecahan polisakarida dan oligosakarida dapat dilakukan dengan dua cara yaitu hidrolisis asam dan hidrolisis enzim. Proses hidrolisis asam dapat menggunakan beberapa jenis asam yang sudah banyak diteliti, antara lain HCl, H 2 SO 4 dan HNO 3 . Proses hidrolisis pati secara enzimatik terdiri dari dua tahap yaitu liquifikasi dengan α-amilase dan sakarifikasi menggunakan amiloglukosidase. Reaksi yang terjadi pada proses produksi etanol secara sederhana dibagi menjadi dua tahap yaitu 1 pemecahan komponen polisakarida menjadi komponen monosakarida pemecahan sempurna dan komponen oligosakarida yang dapat dilakukan secara enzimatis maupun secara kimiawi. Proses pemecahan tahap pertama ditunjukkan pada persamaan reaksi 1. H 2 O + C 6 H 10 O 5 n  n C 6 H 12 O 6 + n H 2 O …….1 2 pengubahan komponen monomer glukosa menjadi etanol yang dilakukan dengan bantuan agen mikrob. Mikrob pengubah monomer glukosa menjadi etanol yang paling efektif adalah jenis khamir spesies S. cerevisiae. Proses konversi monomer glukosa menjadi senyawa etanol ditunjukkan pada persamaan reaksi 2. C 6 H 12 O 6 n  2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 ……………...2 Etanol selain diproduksi dari bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat, juga dapat diproduksi dari bahan tanaman yang mengandung selulosa, namun dengan adanya lignin mengakibatkan proses pemecahan menjadi glukosa menjadi lebih sulit. Penggunaan selulosa sebagai bahan baku pembuatan etanol dapat dilakukan dengan menambahan enzim selulase yang dihasilkan dari jenis mikrob Phanerochate chrysosporium dan Trichoderma reesei. Secara biokimia, proses pembentukan etanol didahului dengan proses glikolisis yaitu proses perubahan satu molekul glukosa menjadi dua molekul piruvat. Proses glikolisis secara garis besar dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu. 1. Proses pemakaian energi. Di dalam tahap persiapan ini, glukosa mengalami proses fosforilasi dan pemecahan menjadi dua molekul triosa yaitu gliseraldehid-3-fosfat. Proses ini mengkonsumsi 2 ATP. 2. Proses pembentukan energi. Dua molekul gliseraldehid-3-fosfat akan dikonversi menjadi piruvat yang disertai dengan pembentukan 4 ATP. Respirasi terhenti dalam keadaan tanpa oksigen karena proses pengangkutan elektron yang dirangkaikan dengan fosforilasi bersifat oksidasi melalui rantai pernafasan yang menggunakan molekul oksigen sebagai penerima elektron terakhir tidak berjalan. Akibatnya jalan metabolisme lingkar asam trikarboksilat daur Krebs akan terhenti pula sehingga piruvat tidak lagi masuk ke dalam daur Krebs melainkan dialihkan pemakaiannya yaitu diubah menjadi etanol Wirahadikusumah 1985. Khamir memproduksi etanol dan CO 2 melalui dua reaksi yang berturutan. 1. Proses dekarboksilasi piruvat menjadi asetaldehid dan CO 2 dengan katalis piruvat dekarboksilase enzim ini tidak ada di binatang. Proses dekarboksilasi merupakan reaksi yang tidak reversibel, membutuhkan ion Mg 2+ dan koenzim tiamin pirofosfat. Reaksi berlangsung melalui beberapa senyawa antara yang terikat secara kovalen pada koenzim. 2. Reduksi asetaldehid menjadi etanol oleh NADH dengan dikatalisis oleh alkohol dehidrogenase, dengan demikian pembentukan NAD + akan digunakan di dalam proses reaksi GADPH glikolisis Voet et al. 2006. Proses konversi glukosa menjadi etanol secara skematik disajikan pada Gambar 3.