7 Pemilihan substrat harus memperhitungkan jumlah karbon yang tersedia di
dalamnya. Karbohidrat merupakan sumber energi tradisional dalam industri fermentasi. Glukosa dan sukrosa jarang digunakan sebagai satu-satunya sumber
karbon karena mahal harganya. Beberapa proses fermentasi dalam skala besar menggunakan garam amonium, urea, atau gas amonia sebagai sumber nitrogen
Fardiaz, 1988. Saccharomyces cerevisiae
var. ellipsoideus merupakan galur khamir yang biasa digunakan untuk pembuatan minuman keras wine dan mampu
menghasilkan rendemen alkohol tinggi Frazier dan Westhoff, 1978. Pada awal klasifikasi, khamir diklasifikasikan berdasarkan kemampuan fermentasi dan
morfologi selnya. Nama Saccharomyces cerevisiae digunakan untuk khamir dari industri bir di Jerman dan Inggris, sedangkan nama Saccharomyces ellipsoideus
merupakan jenis khamir anggur yang mempunyai bentuk ellipsoidal. Pada klasifikasi ulang ditemukan bahwa perbedaan morfologi saja, tidak cukup untuk
membedakan dua spesies khamir, sehingga nama khamir anggur menjadi Saccharomyces cerevisiae
var. ellipsoideus Campbell di dalam Priest dan Campbell, 1999. Perbedaan morfologi Saccharomyces cerevisiae dan
Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Morfologi Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus A dan Saccharomyces cerevisiae
B Pelczar dan Chan, 1986
D. FERMENTASI
Menurut Prescot dan Dunn 1981, etanol dapat diproduksi dari gula melalui fermentasi pada kondisi tertentu. Sedangkan pati dan karbohidrat lainnya
dapat dihidrolisa menjadi gula kemudian difermentasi untuk membentuk etanol yang merupakan nama kimia untuk alkohol dengan rumus kimia C
2
H
5
OH.
8 Bioetanol adalah cairan biokimia dari proses fermentasi gula dari sumber
karbohidrat menggunakan bantuan mikroorganisme. Khamir memerlukan medium dan lingkungan yang sesuai untuk
pertumbuhan dan perkembang-biakannya. Unsur-unsur dasar yang dibutuhkan adalah karbon, hidrogen, oksigen, fosfor, zat besi dan magnesium. Unsur karbon
banyak diperoleh dari gula, sumber nitrogen didapatkan dari amonia, asam amino, peptida, pepton nitrat, atau urea tergantung pada jenis khamir. Fosfor merupakan
unsur penting dalam kehidupan khamir terutama untuk pembentukan alkohol dari gula.
Pada permulaan proses fermentasi, khamir memerlukan oksigen untuk pertumbuhannya sehingga fermentasi berlangsung secara aerob. Setelah terbentuk
CO
2
, reaksi akan berubah menjadi anaerob. Alkohol yang terbentuk akan menekan fermentasi lebih lanjut setelah tercapai konsentrasi antara 13-15 volume.
Terhalangnya proses fermentasi, juga dipengaruhi suhu proses dan jenis khamir yang digunakan Prescot dan Dunn, 1981.
Khamir tumbuh baik pada kondisi aerobik, walaupun demikian beberapa khamir dapat tumbuh pada kondisi anaerobik. Proses respirasi pada kondisi
aerobik selanjutnya digantikan proses fermentasi pada kondisi anaerobik karena tidak tersedia lagi oksigen. Khamir akan selalu berespirasi pada setiap keadaan
yang memungkinkan karena energi yang dihasilkan pada resprasi jauh lebih besar dibandingkan pada proses fermentasi. Barnett et al., 2000. Bila terdapat udara
pada proses fermentasi maka etanol yang dihasilkan lebih sedikit karena terjadi respirasi yang mengakibatkan terjadinya konversi gula menjadi sel,
karbondioksida, dan air. Suhu optimum pertumbuhan khamir adalah pada suhu 25-30
o
C dan maksimum pada 35-47
o
C. Sedangkan pH optimum 4-5. Batas minimal a
w
untuk khamir biasa adalah 1.88-1.92. Menurut Casida 1968 pH pertumbuhan khamir
yang baik adalah pada rentang 3-6. Perubahan pH dapat mempengaruhi pembentukan hasil samping fermentasi. Nilai pH pertumbuhan behubungan positif
dengan pembentukan asam piruvat. Pada pH tinggi maka fase lag akan lebih singkat dan aktivitas fermentasi akan meningkat. Pengaruh pH pada pertumbuhan
khamir juga tergantung pada konsentrasi gula dan etanol. Nilai pH dapat
9 diturunkan menggunakan asam sitrat, sedangkan untuk menaikkan pH dapat
digunakan natrium benzoat. Paturau 1991 menyatakan bahwa fermentasi etanol memakan waktu 30-
72 jam. Prescot dan Dunn 1981 menyatakan bahwa waktu fermentasi etanol adalah 3-7 hari. Amerine dan Cruess 1960 menyatakan bahwa proses pemecahan
gula menjadi etanol dan CO
2
dilakukan oleh sel khamir. Secara teoritis konversi molekul gula menjadi 2 molekul etanol dan 2 molekul CO2 menurut persamaan
Gay Lussac sebagai berikut C
6
H
12
O
6
2C
2
H
5
OH + 2CO
2
gula etanol karbondioksida
Berdasarkan persamaan Gay Lussac dapat dijelaskan bahwa 51.1 gula diubah menjadi etanol dan 49.9 diubah menjadi karbondioksida. Akan tetapi
hasil ini kebanyakan tidak dapat dicapai karena adanya hasil sampingan. Pada kenyataanya hanya 90-95 dari nilai ini yang dapat dicapai. Konsentrasi alkohol
yang dihasilkan dalam fermentasi tergantung pada jenis khamir yang dipakai dan kadar gula. Sedangkan konsentrasi produk samping dipengaruhi oleh suhu, aerasi,
kadar gula dan keasaman Underkofler dan Hickey, 1954. Produk samping yang dihasilkan antara lain asam piruvat dan asam laktat.
Pada kondisi anaerob, metabolisme glukosa menjadi etanol terjadi melalui jalur Embden Meyerhoff-Parnas Gambar 3 yang merupakan reaksi-reaksi
fosforilasi dan defosforilasi dengan ATP dan ADP sebagai donor aseptor fosfat, reaksi pemecahan C
6
menjadi 2 molekul C
3
yang terfosforilasi, reaksi oksidasi- reduksi dan reaksi dekarboksilasi. Gukosa mengalami fosforilasi menjadi
glukosa-6-P dan fruktosa-6-P dengan ATP sebagai donor fosfat. Fruktosa-6-P kemudian dirubah menjadi fruktosa-1.6-di-P kemudian dipecah mencadi 2
molekul C
3
yang terfosforilasi yaitu dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehida-3- P. Dihidroksi aseton fosfat selanjutnya teroksidasi menjadi gliserol fosfat
kemudian diubah menjadi gliserol yang merupakan metabolit sekunder. Gliseraldehid-3-P tereduksi membentuk asam 1.3-difosfogliserat kemudian
mengalami difosforilasi menjadi 3-P-asam gliserat dengan melepaskan fosfat dan akseptor fosfat ADP membentuk ATP.
Gambar 3. Embden Selanjutnya, 3-P
terbentuk asam fosfoen gliseraldehid
gliseraldehid
1,3-bifosfo g
3-fosfo gliserat 2-fosfo gliserat
fosfo enol piruvat
piruvat
piruvat dekarboksilase
Embden Meyerhoff-Parnas Pathway Diwan, 2007 P-asam gliserat membentuk 2-P-asam gliserat
fosfoenol piruvat dengan menghasilkan ATP. Melalui Glukosa
glukosa-6-fosfat fruktosa-6-fosfat
fruktosa-1,6-bifosfat
liseraldehid-3-fosfat dihidroksi aseton fosfat
liseraldehid-3-fosfat
bifosfo gliserat
gliserat gliserat
fosfo enol piruvat
piruvat
asetaldehid etanol
heksokinase
fosfoglukosa isomerase
fosfofrukto kinase
aldolase
triose fosfat isomerase
gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase
fosfogliserat kinase
fosfogliserat mutase enolase
piruvat kinase
piruvat dekarboksilase
alkohol dehidrogenase
10 Diwan, 2007
liserat kemudian Melalui reaksi
triose fosfat isomerase
11 dekarboksilasi, asam piruvat akan membentuk asetaldehid dan CO
2
yang kemudian akan mengalami reaksi oksidasi membentuk etanol.
Penambahan inokulum khamir dapat dilakukan dalam berbagai bentuk diantaranya dalam bentuk suspensi atau dalam bentuk kering. Banyaknya suspensi
khamir yang ditambahkan dalam fermentasi skala besar sekitar 1-3 Prescott dan Dunn, 1959, sedangkan Rinaldy 1987 menggunakan konsentrasi inokulum 10
vv. Komposisi media untuk setiap mikroba berbeda satu sama lain. Zat
makanan utama bagi pertumbuhan mikroba adalah sumber karbon, nitrogen, dan mineral terutama fosfat. Pertumbuhan mikrobial dipengaruhi oleh konsentrasi
komponen penyusun media pertumbuhannya. Pasokan sumber karbon merupakan faktor yang sangat berpengaruh pada pertumbuhan optimal, tetapi pada
kenyataanya konsentrasi sumber karbon mempunyai batas maksimum. Jika konsentrasi sumber karbon melampaui batas maka laju pertumbuhan akan
terhambat Casida, 1968. Dalam fermentasi skala industri, sumber karbon yang biasa digunakan
adalah karbohidrat yang diperoleh dari berbagai jenis pati seperti jagung, serealia, kentang, dan sagu. Sumber karbon lain juga bisa didapatkan dari hasil pertanian
yang banyak mengandung selulosa antara lain jerami padi, tongkol jagung, bagas, limbah kayu, dan kertas. Sebelum digunakan, bahan-bahan tersebut harus
dihidrolisis lebih dulu baik secara kimia maupun secara enzimatis Hartoto, 1992. Sumber nitrogen yang dapat digunakan dalam proses fermentasi
diantaranya corn step liqour, ekstrak gandum atau tauge, hidrolisat kasein, dan ekstrak khamir. Vogel 1983 membedakan sumber nitrogen menjadi sumber
organik dan anorganik. Yang termasuk sumber nitrogen organik adalah corn step liqour
, urea, protein, ekstak khamir dan tepung ikan. Sedangkan sumber nitrogen anorganik adalah amonia, amonium hidroksida dan amonium sulfat.
Menurut Hartoto 1992 sumber nitrogen yang biasa digunakan untuk fermentasi skala besar adalah garam amonium, urea atau amonia. Pemilihan
amonium sebagai sumber nitrogen disebabkan oleh faktor ekonomis yaitu harga yang relatif murah dan mudah didapatkan seperti pupuk NPK dan ZA.
12
E. KINETIKA FERMENTASI
