Study on the Utilization of Liquid Waste from Local Food Industry for Hydrogen Production by Using Photosynthetic Bacteria Rhodobium marinum
STUDI PEMANFAATAN LIMBAH CAIR INDUSTRI
MAKANAN LOKAL UNTUK PRODUKSI HIDROGEN
DENGAN MENGGUNAKAN BAKTERI FOTOSINTETIK
Rhodobium marinum
KHAIRUL ANAM
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis yang berjudul Studi Pemanfaatan
Limbah Cair Industri Makanan Lokal untuk Produksi Hidrogen dengan
Menggunakan Bakteri Fotosintetik Rhodobium marinum adalah karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip
dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
Tesis ini.
Bogor, Agustus 2012
Khairul Anam
NRP P051090031
ABSTRACT
KHAIRUL ANAM. Study on the Utilization of Liquid Waste from Local Food
Industry for Hydrogen Production by Using Photosynthetic Bacteria Rhodobium
marinum. Under direction of KHASWAR SYAMSU and DWI SUSILANINGSIH
New, clean and renewable energy systems are required to encounter
environmental problems caused by the use of fossil energy sources. Hydrogen is
energy carrier that fulfills requirement of clean and environmental friendly energy
because hydrogen does not produce greenhouse gases in its combustion.
Photosynthetic bacteria are one among other bacteria that can produce hydrogen
through photo fermentation process. Liquid waste can be utilized as substrate to
produce hydrogen by photosynthetic bacteria. In this study, liquid wastes from
local food industries are utilized as organic sources for hydrogen production
process because of economical and environmental reasons. Photosynthetic
bacteria, Rhodobium marinum, were used as the agent for hydrogen production.
Milk, soya sauce and tofu liquid wastes were chosen as organic sources. These
liquid wastes were treated by centrifugation, neutralization and sterilization. The
wastes also have been characterized and it contains sugar, organic acid and
protein. Milk liquid waste directly can produce hydrogen about 141±24 ml after
been treated, meanwhile soya sauce liquid waste did not produce hydrogen and
had to be diluted. Tofu liquid waste also did not produce hydrogen and could not
be continued for optimization because of its small content of nutrients. Milk and
soya sauce liquid wastes were examined with dilution (1-80 g/l), addition of iron
(0-500 µmol/l for milk liquid waste and 0-160 µmol/l for soya sauce),
molybdenum (0-12 µmol/l for milk liquid waste and 0-160 µmol/l for soya sauce)
and sodium bicarbonate (0-6 g/l) for optimization purposes. The dilution of milk
liquid waste that gives 7.58 g/l total sugar concentration had the highest efficiency
with 3.22% mol hydrogen/mol hydrogen theoretical and 10.9 g/l for soya sauce
with 6.88% mol hydrogen/mol hydrogen theoretical. From these experiments, the
addition of iron, molybdenum and sodium bicarbonate does not affect hydrogen
production from milk and soya sauce liquid wastes. For kinetics parameters, milk
and soya sauce liquid waste which were treated by pretreatment and without
addition of iron, molybdenum, sodium bicarbonate, yeast extract and trace
element in SL-6 solution were used as hydrogen production medium with 900 ml
working volume. From the experiments, the maximum specific growth for R.
marinum in milk liquid waste was obtained to be 0.137 hours-1; Yx/s value was
0.45 g biomass/g substrate, Yp/s value was 0.017 g hydrogen/g substrate and Yp/x
value was 0.031 g hydrogen/g biomass. The maximum specific growth for R.
marinum in soya sauce liquid waste was obtained to be 0.245 hours-1; Yx/s value
was 0.475 g biomass/g substrate, Yp/s value was 0.041 g hydrogen/g substrate
and Yp/x value was 0.086 g hydrogen/g biomass.
Keywords: hydrogen, Rhodobium marinum, liquid waste, photo fermentation,
kinetic parameters
RINGKASAN
KHAIRUL ANAM. Studi Pemanfaatan Limbah Cair Industri Makanan Lokal
untuk Produksi Hidrogen dengan Menggunakan Bakteri Fotosintetik Rhodobium
marinum. Dibimbing oleh KHASWAR SYAMSU dan DWI SUSILANINGSIH
Energi bersih dan ramah lingkungan merupakan energi alternatif bagi
energi berbasis fosil yang saat ini persediaannya semakin menipis dan telah
menyebabkan masalah lingkungan. Hidrogen merupakan energi carrier yang
ideal untuk dikembangkan sebagai pengganti peran bahan bakar berbasis fosil.
Hidrogen tidak menghasilkan gas rumah kaca dalam pembakarannya sehingga
aman bagi lingkungan. Ada beberapa cara untuk memproduksi hidrogen, antara
lain dengan cara steam reforming, elektrolisis, gasifikasi dan biologi. Dari
beberapa cara tersebut di atas, cara biologi merupakan cara yang efisien karena
dapat terbarukan.
Produksi hidrogen secara biologi menggunakan mikroorganisme sebagai
agen biologi untuk menghasilkan gas hidrogen dari substrat yang dapat
terbarukan. Salah satu mikroorganisme yang diketahui sebagai penghasil
hidrogen adalah Rhodobium marinum. R. marinum merupakan bakteri fotosintetik
dan bagian dari bakteri ungu non sulfur yang dapat memanfaatkan bermacammacam bahan organik untuk menghasilkan hidrogen. R. marinum juga dapat
menghasilkan hidrogen dengan memanfaatkan limbah sebagai substrat.
Selanjutnya, limbah dipilih sebagai media produksi karena nilainya yang rendah
dan juga banyak dihasilkan. Limbah yang mengandung bahan organik seperti gula
dan asam-asam organik merupakan limbah yang sangat cocok untuk produksi gas
hidrogen dengan menggunakan bakteri R. marinum. Limbah cair merupakan
bentuk limbah yang paling mudah dimanfaatkan sebagai media untuk produksi
hidrogen.
Berdasarkan hal tersebut, penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk
mencari limbah cair mana yang dapat dimanfaatkan sebagai media produksi
hidrogen oleh bakteri R. marinum. Kemudian dilanjutkan dengan penyesuaian
terhadap media baik yang ada di dalam limbah maupun yang akan ditambahkan
ke dalam limbah dengan tujuan untuk mendapatkan produksi hidrogen yang
optimal. Penyesuaian yang dilakukan antara lain adalah efisiensi jumlah
kandungan substrat yang ada pada limbah, penambahan besi, molibdenum dan
natrium bikarbonat dalam rangka optimasi terhadap proses fotofermentasi yang
dilakukan pada botol serum 125 ml dengan volume kerja 80 ml, diinkubasi pada
suhu ruang, yaitu sekitar ± 30°C di atas shaker dengan kecepatan 120 rpm,
dengan intensitas cahaya 60 watt/m2 dengan nilai OD bakteri 0,1–0,2. Selain itu
juga dilakukan pengukuran parameter kinetika produksi hidrogen dari limbah dan
pertumbuhan bakteri R. marinum.
Limbah susu, kecap dan tahu merupakan limbah yang diketahui
mengandung gula dan asam organik sehingga dianggap cocok apabila digunakan
sebagai media produksi hidrogen. Dalam proses produksi, limbah tahu tidak
menghasilkan gas hidrogen dalam proses fotofermentasinya, meskipun pada
limbah telah dilakukan preparasi dan penambahan bahan. Berdasarkan analisa
kandungan limbahnya, limbah tahu hanya memiliki kandungan asam organik dan
gula yang sangat sedikit yaitu 15 mmol/l dan 0,1 g/l (0,01%) secara berurutan. Hal
ini yang menyebabkan limbah tahu tidak dapat memproduksi hidrogen dimana
asam organik dan gula merupakan sumber karbon yang sangat penting, baik bagi
pertumbuhan bakteri maupun produksi hidrogen. Tetapi, apabila dilihat dari
kandungan protein, yaitu 0,94%, sebenarnya limbah tahu merupakan penyedia
sumber N (nitrogen) yang baik untuk pertumbuhan bakteri.
Limbah susu merupakan limbah yang berbentuk suspensi dimana pada
limbah tersebut terdapat gumpalan-gumpalan coklat. Untuk mendapatkan bentuk
limbah cair yang optimal, maka limbah susu dipreparasi dengan metode
pemanasan untuk melarutkan padatan yang ada lalu dengan penyaringan atau
sentrifugasi padatan dan cairan limbah dipisahkan. Cairan limbah yang telah
dipisahkan dari padatan, kemudian dinetralisasi dengan larutan basa (NaOH)
untuk mendapatkan pH media yang optimal yaitu pada pH 7. Limbah susu yang
telah dipreparasi merupakan media yang dapat memproduksi gas hidrogen secara
langsung dengan kandungan asam organik dan gula pada MP sebesar 70 mM dan
71 g/l secara berurutan. Setelah dipastikan dapat menghasilkan gas hidrogen,
maka pada limbah susu dilakukan efisiensi jumlah kandungan substrat yang ada
pada limbah dan penambahan besi, molibdenum serta natrium bikarbonat dalam
rangka optimasi. Pada tahap efisiensi substrat dengan konsentrasi 1-80 g/l,
diperoleh produksi hidrogen mencapai efisiensi produksi tertinggi dengan nilai
3,22% mol hidrogen/mol hidrogen teoritis pada konsentrasi gula total kurang
lebih 7,58 g/l. Optimasi selanjutnya yang dilakukan adalah pemberian unsur besi
0-500 µmol/l, molibdenum 1-12 µmol/l dan natrium bikarbonat 0-6 g/l. Dari hasil
uji analisa keragaman (analysis of varian, ANOVA) yang dilakukan, diperoleh
bahwa penambahan bahan-bahan tersebut tidak memberikan pengaruh yang nyata
terhadap produksi hidrogen. Oleh karena itu, ditambahkannya atau tidak bahanbahan tersebut, secara statistik tidak memberikan pengaruh bertambahnya
produksi hidrogen. Berdasarkan hasil tersebut dilakukan pengukuran parameter
kinetika produksi hidrogen dengan tidak dilakukan penambahan bahan dari luar
baik besi, molibdenum, natrium bikarbonat, ekstrak khamir dan SL-6. Hasil
pengukuran parameter kinetika produksi hidrogen secara fotofermentasi dengan
R. marinum pada volume kerja 900 ml, diperoleh nilai laju pertumbuhan spesifik
maksimum sebesar 0,137 jam-1 dan nilai Yx/s yang adalah 0,261 g biomassa/g
substrat, nilai Yp/s adalah 0,017 g hidrogen/g substrat dan nilai Yp/x = 0,064 g
hidrogen/g biomassa.
Limbah kecap merupakan limbah yang berbentuk larutan berwarna hitam
kental yang berbau khas dan telah bercampur dengan padatan seperti pasir. Untuk
memisahkan cairan dan padatan yang ada pada limbah, dilakukan sentrifugasi
terhadap limbah. Limbah kecap yang telah disentrifugasi dan dinetralkan, tidak
dapat secara langsung memproduksi hidrogen ketika dilakukan proses
fotofermentasi dengan R. marinum terhadapnya. Limbah kecap ini diketahui
mengandung asam organik dan gula sebesar 300 mM dan 125 g/l. Diyakini karena
sifat fisiknya yang menyebabkan tidak dapat diproduksinya hidrogen, limbah
kecap kemudian diencerkan untuk mengatasi warna dan kekentalan sifat fisiknya.
Pada tahap efisiensi jumlah substrat (1-80 g/l), diketahui pada konsentrasi gula
total 10,9 g/l, produksi hidrogen mencapai efisiensi produksi tertinggi dengan
nilai 6,88% mol hidrogen/mol hidrogen teoritis. Dari tahap ini diketahui bahwa
dari nilai gula yang terkandung dalam media produksi limbah kecap sebesar 75125 g/l, gas hidrogen tidak dapat diproduksi. Optimasi selanjutnya yang dilakukan
adalah pemberian unsur besi 0-160 µmol/l, molibdenum 0-160 µmol/l dan
natrium bikarbonat 0-6 g/l. Dari uji ANOVA yang dilakukan, diperoleh hasil
bahwa penambahan bahan-bahan tersebut juga tidak memberikan pengaruh yang
nyata terhadap produksi hidrogen. Oleh karena itu, sama halnya dengan limbah
susu, ditambahkannya atau tidak bahan-bahan tersebut pada media limbah kecap
tidak memberikan pengaruh bertambahnya produksi hidrogen. Berdasarkan hasil
tersebut dilakukan pengukuran parameter kinetika produksi hidrogen dengan
tanpa ada penambahan bahan dari luar baik besi, molibdenum, natrium
bikarbonat, ekstrak khamir dan SL-6. Dari hasil pengukuran parameter kinetika
produksi hidrogen secara fotofermentasi dengan R. marinum pada volume kerja
900 ml, diperoleh nilai laju pertumbuhan spesifik maksimum sebesar 0,245 jam-1
dan nilai Yx/s adalah 0,475 g biomassa/g substrat, nilai Yp/s adalah 0,041 g
hidrogen/g substrat dan nilai Yp/x = 0,086 g hidrogen/g biomassa.
Kata kunci: hidrogen, Rhodobium marinum, limbah cair, fotofermentasi,
parameter kinetika
© Hak Cipta milik IPB dan LIPI, tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang
wajar IPB dan LIPI
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apapun tanpa izin IPB dan LIPI
STUDI PEMANFAATAN LIMBAH CAIR INDUSTRI
MAKANAN LOKAL UNTUK PRODUKSI HIDROGEN
DENGAN MENGGUNAKAN BAKTERI FOTOSINTETIK
Rhodobium marinum
KHAIRUL ANAM
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Bioteknologi
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Penguji Luar Komisi Pada Ujian Tesis: Dr. Mulyorini Rahayuningsih
Judul Penelitian
Nama
NRP
: Studi Pemanfaatan Limbah Cair Industri Makanan Lokal
untuk Produksi Hidrogen dengan Menggunakan Bakteri
Fotosintetik Rhodobium marinum
: Khairul Anam
: P051090031
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir. Khaswar Syamsu, M.Sc.
Ketua
Dr. Dwi Susilaningsih, M.Pharm.
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Bioteknologi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Suharsono, DEA.
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc. Agr.
Tanggal Ujian:
Tanggal Lulus:
untukku, anak-anakku, ibu dari anak-anakku dan keluargaku …
PRAKATA
Segala puji hanya bagi Allah SWT yang telah melimpahkan rahmah, hidayah
dan inayahNya kepada penulis sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema
yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2011 ini ialah
biohidrogen dengan judul Studi Pemanfaatan Limbah Cair Industri Makanan Lokal
untuk Produksi Hidrogen dengan Menggunakan Bakteri Fotosintetik Rhodobium
marinum.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Khaswar Syamsu,
M.Sc. dan Ibu Dr. Dwi Susilaningsih, M.Pharm. selaku komisi pembimbing yang
telah memberikan bimbingan, arahan dan petunjuk selama berlangsungnya penelitian
dan penyusunan karya ilmiah ini. Terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Suharsono,
DEA. dan Ibu Dr. Mulyorini Rahayuningsih yang telah memberikan saran dan arahan
dalam penyusunan naskah karya ilmiah ini. Semoga amal yang diberikan mendapat
balasan yang setimpal dari Allah SWT. Penulis juga mengucapkan terima kasih
kepada Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) atas bantuan dana dan
kesempatan yang diberikan kepada penulis, baik melalui karyasiswa LIPI maupun
program kompetitif, sehingga penulis dapat menyelesaikan studi yang telah
diamanahkan.
Tidak lupa penulis memberikan penghargaan kepada segenap staf pengajar,
karyawan dan rekan-rekan angkatan 2009 di program studi Bioteknologi Pascasarjana
IPB yang telah berbagi ilmu dan nasehat kepada penulis selama menjalankan
studinya. Tidak lupa penulis juga ucapkan terima kasih kepada rekan-rekan di Lab
Bioenergi dan Bioproses, Puslit Bioteknologi LIPI, yang sedianya telah membantu
kelancaran penelitian ini. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada ibu,
istri dan anak-anakku serta seluruh keluarga atas segala doa, kasih sayang dan
dukungan yang diberikan.
Penulis menyadari bahwa karya ilmiah ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu,
penulis dengan segala kerendahan hati, terbuka untuk menerima segala saran dan
kritik yang membangun demi kemajuan di masa mendatang. Harapan penulis,
semoga dengan segala kekurangannya karya ilmiah ini, dapat diambil manfaatnya.
Bogor, Agustus 2012
Khairul Anam
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 30 Agustus 1982 dengan ayah
bernama H. Moch. Chairuddin, BS. (Alm) dan ibu Dra. Hj. Rohmah Sarmala.
Penulis merupakan putra bungsu dari tujuh bersaudara. Pada tahun 2004, penulis
memperoleh gelar Sarjana Farmasi dari Fakultas Farmasi, Universitas Gadjah
Mada (UGM). Kemudian, penulis melanjutkan studinya ke Program Profesi
Apoteker UGM dan lulus pada tahun 2005. Sempat bekerja sebagai asisten dosen
Fakultas Farmasi Universitas Pancasila, pada tahun 2006 penulis masuk ke
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) dan bekerja sebagai peneliti di Pusat
Penelitian Bioteknologi. Pada tahun 2009, penulis mendapatkan kesempatan tugas
belajar dari LIPI untuk menempuh Program Magister Sains di IPB. Penulis
memilih program studi Bioteknologi dalam melanjutkan studinya. Saat ini penulis
aktif melakukan penelitian khususnya dibidang bioproses yang mencakup tema
tentang energi, bioremediasi maupun obat dan makanan dengan memanfaatkan
mikroorganisme seperti bakteri fotosintetik dan mikroalga.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ………………………………………………………..
xxv
DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………. xxvii
DAFTAR LAMPIRAN ………………………………………………….. xxix
PENDAHULUAN ………………………………………………………..
1
Latar Belakang ……………………………………………………
1
Tujuan Penelitian …………………………………………………
3
TINJAUAN PUSTAKA ………………………………………………….
5
Hidrogen ………………………………………………………….
5
Manfaat Hidrogen …………………………………………………
5
Metode Produksi Hidrogen ……………………………………….
7
Produksi Hidrogen Secara Biologi ………………………………..
8
Bakteri Fotosintetik ……………………………………………….
9
Nitrogenase ……………………………………………………….
13
Hidrogenase ……………………………………………………….
15
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Produksi Hidrogen …………..
15
METODOLOGI ………………………………………………………….
19
Waktu dan Tempat Penelitian …………………………………….
19
Cara Kerja …………………………………………………………
19
HASIL DAN PEMBAHASAN …………………………………………..
27
Preparasi Limbah …………………………………………………
27
Karakterisasi Limbah ……………………………………………..
31
Seleksi Limbah Cair ………………………………………………
31
Optimasi …………………………………………………………..
32
Pengukuran Parameter Kinetika Produksi Hidrogen ..……………
40
Analisa Hasil Produksi Hidrogen …………………………………
46
SIMPULAN DAN SARAN ……………………………………………...
49
Simpulan ……………………………………………………………..
49
Saran ………………………………………………………………….
50
DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………….
51
LAMPIRAN ………………………………………………………………
55
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Karakteristik limbah cair industri makanan setelah dipreparasi. ……….. 31
2 Produksi rata-rata hidrogen secara fotofermentasi dari limbah susu …… 33
3 Produksi rata-rata hidrogen secara fotofermentasi dari limbah kecap ….. 35
4 Perubahan nilai berat biomassa (X), ln berat biomassa (ln X), gula
sebagai substrat (S) dan hidrogen sebagai produk (P) pada proses
fotofermentasi limbah susu sebagai media produksi hidrogen skala 1
liter ……………………………………………………………………… 41
5 Perubahan nilai berat biomassa (X), ln berat biomassa (ln X), gula
sebagai substrat (S) dan hidrogen sebagai produk (P) pada proses
fotofermentasi limbah kecap sebagai media produksi hidrogen skala 1
liter ……………………………………………………………………… 42
6 Hasil produksi biohidrogen dari limbah cair industri makanan melalui
proses fotofermentasi beberapa literatur ………………………………... 47
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Skema sederhana Hydrogen Fuel Cell ………………………………
6
2 Foto bakteri R. marinum …………………………………………….
10
3 Proses terjadinya glikolisis dan terbentuknya asam organik melalui
jalur Krebs …………………………………………………………
12
4 Proses terbentuknya hidrogen………………………………………..
13
5 Proses terbentuknya hidrogen di dalam sel…………………………..
14
6 Sistem fotobioreaktor percobaan…………………………………….
20
7 Proses fotofermentasi dengan shaker dan menggunakan penerangan
lampu TL……………………………………………………………..
21
8 Sistem fotobioreaktor pada percobaan pengukuran parameter
kinetika produksi hidrogen ………………………………………….
24
9 Diagram alur kerja penelitian ………………………………………..
27
10 Limbah cair tahu, kecap dan susu …………………………………...
30
11 Volume hidrogen hasil fotofermentasi limbah cair industri susu, tahu
dan kecap dengan R. marinum…………………………………
32
12 Hidrogen hasil optimasi jumlah substrat pada proses fotofermentasi
limbah cair industri susu dengan R. marinum………………………..
34
13 Efisiensi produk hasil optimasi jumlah substrat pada proses
fotofermentasi limbah cair industri susu dengan R. marinum……….
34
14 Efisiensi substrat hasil optimasi jumlah substrat pada proses
fotofermentasi limbah cair industri susu dengan R. marinum………
35
15 Hidrogen hasil optimasi jumlah substrat pada proses fotofermentasi
limbah cair industri kecap dengan R. marinum……………………...
36
16 Efisiensi produk hasil optimasi jumlah substrat pada proses
fotofermentasi limbah cair industri kecap dengan R. marinum……...
36
17 Efisiensi substrat hasil optimasi jumlah substrat pada proses
fotofermentasi limbah cair industri kecap dengan R. marinum……...
37
18 Perbandingan produksi gas hidrogen hasil fotofermentasi limbah
susu dengan perbedaan penambahan jumlah Fe, Mo dan NaHCO3
pada media produksi…………………………………………………
38
19 Perbandingan produksi gas hidrogen hasil fotofermentasi limbah
kecap dengan perbedaan penambahan jumlah Fe, Mo dan NaHCO3
pada media produksi…………………………………………………
39
20 Kurva ln berat biomassa (ln X) dan laju pertumbuhan spesifik
bakteri fotosintetik R. marinum pada proses fotofermentasi produksi
hidrogen……………………………………………………………...
43
21 Koefisien yield biomassa/substrat (Yx/s), koefisien yield
produk/substrat (Yp/s) dan koefisien Yield produk/biomassa (Yp/x)
pada proses fotofermentasi…………………………………………..
44
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Laporan Hasil Pengujian Kadar N total, Besi (Fe) dan Molibdenum
(Mo)………………………………………………………………….
57
2 Kurva standar glukosa ………………………………………………..
62
3 Kurva standar berat biomassa………………………………………...
63
4 Kurva standar hidrogen………………………………………………
64
5 Kromatogram standar hidrogen………………………………………
65
6 Kromatogram sampel hidrogen……………………………………….
66
7 Volume hidrogen tiap perlakuan dan analisis statistik ........................
68
8 Foto-foto penelitian …………………………………………………..
74
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pemakaian bahan bakar fosil yang terjadi sejak dahulu hingga saat ini telah
mengakibatkan semakin langkanya persediaan bahan bakar tersebut, ditandai
melonjaknya harga bahan bakar fosil di pasaran dunia (Kirtay 2011; Mohan et al.
2008). Selain itu, penggunaan bahan bakar fosil yang terus menerus telah
menghasilkan gas-gas yang dapat menimbulkan masalah lingkungan dan
menyebabkan efek rumah kaca sehingga mengakibatkan pemanasan global yang
berujung pada perubahan iklim di bumi (Lin & Lay 2004; Chen et al. 2006).
Dengan adanya krisis energi dan masalah lingkungan yang ditimbulkan, maka
perlu dikembangkan suatu energi alternatif yang dapat menggantikan peran bahan
bakar berbasis fosil.
Hidrogen merupakan salah satu sumber energi alternatif yang ideal untuk
dikembangkan sebagai pengganti peran bahan bakar berbasis fosil. Sebagai bahan
bakar, hidrogen dapat menghasilkan energi lebih besar daripada energi yang
dihasilkan oleh bensin pada berat yang sama (Kapdan & Kargi 2006). Hidrogen
pun lebih ramah lingkungan karena pada proses pembakarannya hanya
menghasilkan uap air. Akan tetapi , keberadaan hidrogen dalam bentuk gas relatif
jarang ditemukan secara alami di bumi (Lestari 2004). Oleh karena itu, gas
hidrogen perlu diproduksi.
Ada beberapa cara untuk memproduksi hidrogen, antara lain dengan cara
steam reforming, elektrolisis, gasifikasi dan biologi (Chen et al 2006, Kapdan &
Kargi 2006, Li & Fang 2008, Kirtay 2011). Dari beberapa cara tersebut di atas
cara biologi merupakan cara yang efisien dan dapat terbarukan (Li & Fang 2008).
Diketahui hidrogen dapat dihasilkan dari beberapa mikroorganisme, seperti
mikroorganisme fotosintetik termasuk di dalamnya sianobakter dan bakteri
fotosintetik (Miyake 1998, Najafpour et al. 2004, Fang et al. 2006). Selain itu
hidrogen juga dapat diproduksi oleh mikroorganisme non-fotosintetik seperti
bakteri pengikat nitrogen dan bakteri anaerob (Ike et al. 1999). Telah dilakukan
berbagai penelitian dalam produksi biohidrogen untuk mendapatkan hasil
produksi hidrogen yang maksimal. Dari penelitian yang dilakukan oleh Miyake
2
(1998) dilaporkan bahwa bakteri fotosintetik dapat menghasilkan gas hidrogen
lebih banyak dibandingkan dengan bakteri anaerob secara stoikiometri dengan
menggunakan glukosa sebagai substrat. Oleh karena itu, dengan produksi
hidrogen yang tinggi dibandingkan dengan bakteri lain, maka dalam penelitian ini
bakteri fotosintetik digunakan untuk menghasilkan gas hidrogen.
Beberapa penelitian memanfaatkan bakteri fotosintetik sebagai agen
biologis penghasil gas hidrogen karena bakteri tersebut dapat memanfaatkan
bermacam-macam bahan organik sebagai substrat. Ada penelitian yang
memanfaatkan glukosa sebagai substrat untuk produksi biohidrogen (Redwood &
Macaskie 2006). Beberapa penelitian memanfaatkan asam laktat dan asam
organik lainnya sebagai substrat (Ike et al. 1999, Barbosa et al. 2001, Kawaguchi
et al. 2002, Li & Fang 2008). Semakin maraknya penggunaan bahan-bahan
organik untuk bahan dasar dalam produksi energi alternatif tersebut telah
menyebabkan kekhawatiran memicu naiknya harga bahan pangan. Oleh karena itu
perlu dikembangkan suatu sistem untuk memproduksi gas hidrogen tanpa harus
bersaing dengan bahan-bahan yang berbasis pada kebutuhan pangan.
Limbah organik dengan kandungan nitrogen yang rendah diketahui
merupakan substrat yang ideal untuk produksi hidrogen secara fotofermentasi.
Beberapa literatur menyatakan bahwa bakteri fotosintetik dapat memanfaatkan
jenis limbah organik yang beragam sebagai sumber karbon dalam produksi
hidrogen. Limbah-limbah yang dimaksud antara lain, yaitu limbah cair dari
industri gula (Yetis et al. 2000), industri susu (Turkarslan et al. 1998), industri
tahu (Zhu et al. 1999), industri fermentasi asam laktat (Sasikala & Ramana 1991),
endapan limbah (Sunita & Mitra, 1993) dan limbah kota (Fascetti et al. 1998).
Limbah cair yang mengandung bahan-bahan organik merupakan bentuk limbah
yang paling mudah untuk dikonversi menjadi gas hidrogen (Miyake 1998).
Adapun limbah yang akan digunakan dalam studi ini adalah limbah cair yang
berasal dari industri makanan lokal yang mengandung bahan organik yang dapat
dikonversi menjadi gas hidrogen, seperti limbah cair dari industri kecap, susu dan
tahu.
Limbah industri kecap manis merupakan limbah cair yang diperoleh dari
proses produksi yaitu berupa tumpahan cairan kecap selama proses produksi
3
berlangsung. Tumpahan ini tidak langsung dibuang ke saluran air akan tetapi
ditampung terlebih dahulu di dalam drum bekas. Dari komposisi kecap manis,
diketahui limbah ini banyak mengandung gula yang diketahui dapat dikonversi
menjadi hidrogen. Limbah industri susu coklat UHT (ultra high temperature)
adalah produk retur, kadaluarsa dan produk yang tidak memenuhi syarat untuk
dikomersialisasikan. Limbah ini ditampung ke dalam suatu wadah pengolahan
limbah dan diambil sebelum proses pengolahan limbah tersebut berlangsung. Dari
komposisi produk susu tersebut, diketahui bahwa cairan limbah ini juga
mengandung gula yang dapat diubah menjadi hidrogen. Limbah industri tahu
adalah limbah yang diperoleh dari pabrik pengolahan tahu. Limbah ini berasal
dari cairan yang digunakan sebagai koagulan dalam pembuatan tahu. Limbah ini
diambil sebelum dibuang langsung ke dalam aliran sungai. Dari komposisi cairan
yang digunakan, limbah ini mengandung asam yang dapat dikonversi menjadi
hidrogen. Oleh karena itu, limbah cair industri makanan merupakan limbah yang
sangat cocok untuk digunakan sebagai media produksi gas hidrogen.
Keuntungan dari pemakaian limbah sebagai media produksi, selain
merupakan bahan baku murah, pemanfaatan limbah untuk menghasilkan energi
dapat mengurangi biaya untuk pengolahan limbah tersebut dan juga dapat
mengurangi dampak lingkungan akibat limbah yang secara sengaja dibuang
sembarangan. Energi yang dihasilkan pun dapat memberi nilai tambah bagi
limbah itu sendiri. Oleh karena itu, dalam penelitian ini, limbah cair industri
makanan lokal dicoba dimanfaatkan sebagai media untuk menghasilkan gas
hidrogen dengan menggunakan bakteri fotosintetik, Rhodobium marinum, sebagai
mikroorganisme penghasil gas hidrogen.
Tujuan Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan sistem
produksi biohidrogen dengan memanfaatkan limbah cair dari industri makanan
lokal. Adapun tujuan khusus penelitian ini antara lain 1) untuk mengetahui apakah
limbah cair industri makanan, seperti susu, kecap dan tahu, yang mengandung
bahan-bahan organik, dapat menghasilkan hidrogen melalui proses fotofermentasi
menggunakan bakteri fotosintetik, R. marinum, 2) untuk mengetahui nilai
4
optimum dari perbedaan konsentrasi bahan organik yang terkandung di dalam
media, penambahan natrium bikarbonat yang berperan melepaskan CO2 dan
penambahan senyawa yang mengandung besi dan molibdenum pada media limbah
yang dapat menghasilkan hidrogen terbanyak, 3) untuk mengetahui parameter
kinetika fotofermentasi limbah hasil seleksi.
TINJAUAN PUSTAKA
Hidrogen
Hidrogen merupakan elemen paling sederhana yang ada di dunia. Satu atom
hidrogen memiliki satu proton dan satu elektron. Hidrogen adalah elemen paling
ringan dan berbentuk gas pada tekanan dan temperatur normal. Dalam bentuk gas,
hidrogen (H2) adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan tidak larut di
dalam air. Gas hidrogen sangat mudah terbakar yang akan terbakar pada
konsentrasi 4% H2 di udara. Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286 kJ/mol
(Lestari 2004). Hidrogen terbakar menurut persamaan 1
2 H2+ O2 → 2 H2O + 572 kJ ΔG = 286 kJ/mol
(1)
Hidrogen adalah gas yang paling melimpah di alam semesta dan merupakan
sumber dari energi yang kita terima dari matahari. Matahari pada dasarnya adalah
bola raksasa yang tersusun oleh gas hidrogen dan helium. Pada proses terjadinya
fusi, 4 atom hidrogen bereaksi membentuk 1 atom helium dan melepaskan energi
berupa radiasi. Energi dari radiasi tersebut merupakan sumber energi paling
melimpah yang kita terima. Radiasi memberi kita cahaya dan panas yang
membuat tanaman dapat tumbuh. Adanya panas yang ditimbulkan mengakibatkan
angin bertiup dan hujan turun serta tersimpan sebagai energi kimia di dalam bahan
bakar fosil. Hampir semua energi yang kita manfaatkan saat ini bersumber pada
matahari. Di bumi, hidrogen umumnya ditemukan dalam bentuk komponen dari
suatu senyawa. Berkombinasi dengan oksigen, hidrogen membentuk air (H2O).
Kombinasi hidrogen dengan karbon dapat membentuk metana (CH4), batu bara
dan minyak bumi (www.need.org 2011). Hidrogen juga ditemukan pada mahluk
hidup (biomassa).
Manfaat Hidrogen
Kegunaan hidrogen sendiri bermacam-macam. Hidrogen dapat digunakan
untuk balon meteorologi karena merupakan gas yang paling ringan. Hidrogen juga
digunakan dalam pembuatan margarin dengan mengubah minyak yang merupakan
ester tidak jenuh menjadi jenuh dengan bantuan katalis (Lestari 2004). Hidrogen
juga dapat digunakan sebagai bahan bakar dan akan menghasilkan energi tiga kali
6
lebih besar daripada energi yang dihasilkan oleh bensin pada berat yang sama
(Kapdan & Kargi 2006, www.need.org 2011). Cairan hidrogen biasa digunakan
sebagai bahan bakar roket karena mempunyai kalor pembakaran yang besar, 120
kJ/g. Seiring berjalannya waktu, pemanfaatan hidrogen sebagai bahan bakar
dinilai sangat penting untuk menggantikan peran bahan bakar berbasis fosil yang
saat ini keberadaannya semakin sedikit akibat pemakaian yang terus menerus.
Selain dapat menghasilkan energi yang cukup besar, hidrogen juga ramah
lingkungan karena pembakaran hidrogen tidak mengeluarkan gas yang dapat
mengakibatkan polusi dan efek rumah kaca seperti bahan bakar fosil selama ini.
Sisa pembakaran hidrogen hanya menghasilkan uap air sehingga ramah bagi
lingkungan.
Gas hidrogen dapat diaplikasikan pemanfaatannya sebagai bahan bakar
bila disertai dengan sistem fuel cell (hydrogen fuel cell) sebagai sumber (alat)
yang dapat menghasilkan listrik. Kinerja hydrogen fuel cell serupa seperti aki
(accu), hanya saja reaksi kimia penghasil tenaga listrik ini menggunakan hidrogen
dan oksigen yang bereaksi dan mengalir seperti aliran bahan bakar melalui sebuah
karburator. Tidak ada pembakaran dalam proses pembangkit listrik ini. Dengan
demikian limbah dari proses ini hanyalah air yang aman untuk dibuang.
Gambar 1
Skema sederhana Hydrogen Fuel Cell (Ming 2010).
Secara sederhana proses pengubahan energi kimia menjadi listrik dengan
perantaraan fuel cell dapat dilihat pada Gambar 1. Hidrogen dialirkan melewati
anoda dan oksigen/udara dialirkan pada katoda. Pada anoda dengan bantuan
katalis, hidrogen dipecah menjadi bermuatan positif dan melepas elektron.
Membran di tengah-tengah anoda dan katoda berfungsi mengalirkan proton
7
menyeberang ke katoda. Proton yang tiba di katoda bereaksi dengan oksigen atau
udara dan menghasilkan air. Tumpukan elektron di anoda akan menjadi energi
listrik searah yang dapat menyalakan lampu. Namun ada hal yang sangat penting
yang harus dimengerti mengenai bahan bakar hydrogen fuel cell ini bahwa
hidrogen di bumi tidak dapat langsung ditambang atau dipanen karena hidrogen
biasa ditemukan dalam bentuk komponen dari suatu senyawa. Oleh karena itu,
hidrogen perlu diproduksi (www.need.org 2011).
Metode Produksi Hidrogen
Ada beberapa cara untuk memproduksi hidrogen, antara lain dengan cara
steam reforming, elektrolisis dan gasifikasi biomassa serta secara biologi (Chen et
al. 2006, Kapdan & Kargi 2006, Li & Fang 2008, Kirtay 2011). Steam reforming
adalah proses dimana suhu uap air yang tinggi akan memisahkan hidrogen dari
ikatan atom karbon pada metana, dapat dilihat pada persamaan 2. Hidrogen yang
diproduksi melalui metode ini tidak digunakan untuk bahan bakar akan tetapi
untuk keperluan proses di dalam industri. Metode ini merupakan metode produksi
hidrogen paling efektif saat ini. Tetapi di dalam metode ini baik proses pembuatan
dan untuk sumber penghasil panas keduanya menggunakan bahan bakar berbasis
fosil sehingga tidak efisien.
CH4 + H2O → CO + 3H2
(2)
Elektrolisis, yaitu memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen dengan
aliran listrik (persamaan 3). Proses ini akan menghasilkan hidrogen yang memiliki
kemurnian yang tinggi. Tetapi, dalam proses elektrolisis dibutuhkan energi listrik
yang sangat besar yang berasal dari bahan bakar fosil, sehingga juga dianggap
belum efisien. Cara ini bisa lebih efisien apabila dalam prosesnya menggunakan
listrik yang berasal dari energi terbarukan.
2 H2O → 2 H2 + O2
(3)
Pada metode gasifikasi, biomassa dapat digunakan sebagai bahan dasar
untuk menghasilkan gas hidrogen. Biomassa kayu-kayuan dan limbah pertanian
dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi sehingga menghasilkan gas hidrogen dan
gas-gas lainnya. Hal ini juga masih belum efisien karena membutuhkan banyak
8
energi untuk pemanasan akan tetapi menjadi efisien apabila biomassa juga
dimanfaatkan untuk menghasilkan panas (Bossel 2006, www.need.org 2011).
Produksi hidrogen secara biologis dapat menjadi alternatif yang digunakan
dalam memproduksi gas hidrogen. Dengan memanfaatkan biomassa, produksi
hidrogen secara biologis termasuk ke dalam sumber energi terbarukan. Dengan
dukungan banyak penelitian dan pengembangan, produksi gas hidrogen melalui
proses biologi telah berhasil menyita perhatian beberapa tahun terakhir ini
(Kapdan & Kargi 2006).
Produksi Hidrogen Secara Biologi
Ada beberapa mikroorganisme yang dapat menghasilkan gas hidrogen
sebagai produk samping pada proses pertumbuhannya dengan menggunakan
sumber yang dapat terbarukan seperti air, biomassa dan cahaya matahari.
Beberapa mikroorganisme yang dapat menghasilkan hidrogen, antara lain
sianobakteria, bakteri anaerob dan bakteri fotosintetik (Miyake 1998, Koku et al.
2002, Chen et al. 2006). Semua proses yang melibatkan produksi hidrogen tidak
lepas dengan adanya pengaruh enzim yang berperan mengkatalisis diproduksinya
gas hidrogen (Hallenbeck & Benemann 2002).
Sianobakteria memecah air menjadi hidrogen dan oksigen melalui proses
fotosintesis (fotolisis). Mikroorganisme ini bersifat fotoautotrof dan tidak
memerlukan bahan organik sebagai substrat untuk menghasilkan hidrogen.
Mikroorganisme ini menangkap energi dari cahaya matahari yang memecah air
menjadi oksigen dan melepas elektron (persamaan 4). Elektron yang dihasilkan
mereduksi feredoxin lalu bergerak ke enzim hidrogenase yang mengubah proton
H+ menjadi H2. Keuntungan dari proses ini adalah dapat mengubah air menjadi
hidrogen secara langsung. Tetapi, diproduksinya oksigen sebagai hasil samping
proses fotosintesis dapat menghambat kerja dari enzim nitrogenase dan
hidrogenase (Das & Veziroglu 2008, Hallenbeck et al. 2009).
2 H2O + energi cahaya → O2 + 2 H2
(4)
Bakteri anaerob secara heterotrof melalui fermentasi gelap menghasilkan
molekul hidrogen dengan memanfaatkan bahan organik sebagai substrat. Bakteri
anaerob mengubah glukosa sebagai substrat organik menjadi senyawa organik
9
yang lebih kecil melalui proses glikolisis. Enzim yang terlibat dalam produksi
hidrogen pada bakteri anaerob adalah enzim hidrogenase. Keuntungan dari proses
ini adalah banyak sumber bahan organik yang dapat digunakan sebagai substrat.
Fermentasi juga dapat berlangsung terus karena tidak membutuhkan cahaya dan
juga dapat menghasilkan beberapa produk samping berharga seperti asam butirat,
asam asetat dan asam laktat (Chen et al. 2006, Kapdan & Kargi 2006, Kotay &
Das 2008). Akan tetapi, hasil produksi gas hidrogen hanya sedikit, rasio konversi
substrat ke produk kecil (Miyake 1998, Hallenbeck et al. 2009).
C6H12O6 (glukosa) + 2H2O → 2CH3COOH (asam asetat) + 2CO2 + 4H2
(5)
C6H12O6 (glukosa) + 2H2O → CH3COCH3 (aseton) + 3CO2 + 4H2
(6)
C6H12O6 (glukosa) → CH3CH2CH2COOH (asam butirat) + 2CO2 + 2H2
(7)
C6H12O6 (glukosa) → 2CH3CH2OH (etanol) + 2CO2
(8)
C6H12O6 (glukosa) → 2CH3CHOHCOOH (asam laktat)
(9)
Bakteri ungu sulfur dan bakteri ungu non sulfur (PNS) adalah bakteri
fotosintetik yang tidak menghasilkan oksigen pada proses fotosintesisnya, tetapi
menghasilkan hidrogen sebagai produk samping dengan bantuan cahaya. Produksi
hidrogen pada bakteri fotosintetik ini dikatalisis dengan adanya aktivitas enzim
nitrogenase dan hidrogenase. Meskipun enzim hidrogenase juga aktif untuk
memproduksi hidrogen, akan tetapi enzim ini juga berperan merombak kembali
hidrogen yang telah diproduksi (Miyamoto 1997, Koku et al. 2002). Bakteri
fotosintetik
diketahui
dapat
menghasilkan
gas
hidrogen
lebih
banyak
dibandingkan bakteri anaerob secara stoikiometri dengan menggunakan glukosa
sebagai substrat (Miyake 1998). Bakteri fotosintetik memiliki kemampuan tinggi
dalam mengkonversi substrat secara efisien dan dapat menggunakan bermacammacam susbtrat untuk produksi hidrogen (Akkerman et al. 2002, Koku et al.
2002, Das & Veziroglu 2008). Hal ini menjadikan bakteri fotosintetik lebih
efisien untuk memproduksi gas hidrogen.
Bakteri Fotosintetik
Bakteri ungu non belerang (purple non sulphur, PNS) adalah organisme
bakteri gram negatif. Selnya berbentuk bulat telur hingga bentuk batang serta ada
yang motil dan nonmotil. Mereka dapat tumbuh dengan beberapa mode
10
pertumbuhan metabolisme seperti pertumbuhan fotoheterotrof, fotoautotrof dan
pertumbuhan kemoheterotrof. Mode pertumbuhan dari bakteri ini dapat beralih
dari satu mode ke mode yang lain tergantung pada ketersediaan sumber karbon
(C) dan intensitas cahaya. Jika media mengandung CO2 sebagai sumber C, bakteri
ini akan tumbuh secara autotrof. Jika sumber C adalah asam organik, bakteri ini
akan tumbuh secara heterotrof. Ketersediaan sumber cahaya diperlukan untuk
mode pertumbuhan secara fototrof (Basak & Das 2007).
2 µm
Gambar 2
Foto bakteri R. marinum.
Bakteri PNS hanya memiliki fotosistem tunggal yang ada di dalam
membran intraseluler. Fotosistem ini tidak memiliki daya yang cukup untuk
memisahkan air. Karena kurangnya fotosistem II mereka dapat melakukan
fotosintesis anoksigenik. Pertumbuhan fotoheterotrof adalah mode yang disukai
untuk produksi hidrogen secara biologis. Mereka dapat hidup baik dalam kondisi
gelap ataupun terang. Pertumbuhan ini dapat terjadi pada kisaran pH 6-8,5 dan
suhu optimum untuk pertumbuhan antara 30 hingga 35°C (Hiraishi et al. 1995).
Istilah "non-sulfur" digunakan karena bakteri ini dianggap tidak menggunakan
hidrogen sulfida sebagai donor elektron saat tumbuh secara fotoautotrof. Namun,
tidak seperti bakteri sulfur bakteri ini dapat menggunakan sulfida sebagai donor
elektron tetapi tidak pada konsentrasi sulfida yang tinggi (Brock et al. 2003).
Bakteri PNS berwarna coklat kekuningan sampai kehijauan dan berwarna coklat
gelap ketika tumbuh dalam keadaan anaerobik namun berubah menjadi merah
11
dengan adanya oksigen (Basak & Das 2007). Rhodobium marinum adalah bakteri
gram negatif PNS dan termasuk bagian dari α Protobacteria. Taksonomi R.
marinum ditunjukkan sebagai berikut
dunia
:
Bacteria
filum
:
Proteobacteria
kelas
:
Alpha Proteobacteria
ordo
:
Rhizobiales
famili
:
Rhodobiaceae
genus
:
Rhodobium
species
:
Rhodobium marinum
Rhodobium marinum merupakan salah satu bakteri fotosintetik yang dapat
memproduksi hidrogen (Ike et al. 1999, Kawaguchi et al. 2002). Selnya berbentuk
batang, gram negatif, bergerak, memproduksi warna pink sampai merah dan dapat
melakukan reproduksi melalui kuncup (Gambar 2). Bakteri ini bersifat
fotoheterotrof fakultatif anaerob dan berhasil diisolasi oleh Hiraishi pada tahun
1995.
C2H4O2 (asam asetat) + 2H2O → 2CO2 + 4H2 (10)
C3H6O3 (asam laktat) + 3H2O → 3CO2 + 6H2 (11)
C4H6O5 (asam malat) + 3H2O → 4CO2 + 6H2 (12)
C6H12O6 (glukosa) + 6H2O → 6CO2 + 12H2 (13)
Pada proses produksi hidrogen secara fotofermentasi, bakteri PNS ini
menggunakan asam-asam organik rantai pendek sebagai donor elektron dan
bantuan cahaya matahari dalam pembentukan energi (ATP). Bakteri fotosintetik
ini juga dapat mendegradasi senyawa-senyawa organik melalui proses fermentasi
gelap lalu memanfaatkan ATP dan senyawa hasil fermentasi (metabolit) sebagai
energi dan donor elektron dalam proses produksi hidrogen (persamaan 10 – 12,
Gambar 3 dan 4). Proses biokimia yang terjadi pada bakteri PNS ini dikatalisasi
oleh enzim nitrogenase dan hidrogenase (Akkerman et al. 2002, Koku et al. 2002,
Basak & Das 2007).
12
Glukosa
Membran
Sitoplasma
Fruktosa
Jalur
Embden-Meyerhoff
Jalur
Entner-Daudoroff
Glukonat
Gelap + O2
Anaerobik + Cahaya
Gliserol
Piruvat
Siklus
Calvin
Laktat
Piruvat
Asetat
Asetil KoA
Butirat
Sitrat
Oksaloasetat
sitrat
Siklus
Krebs
Oksoglutarat
Suksinat
Gambar 3
Proses terjadinya glikolisis dan terbentuknya asam organik melalui
jalur Krebs (Koku et al. 2002).
13
Membran
luar
Energi cahaya
elektron
Membran
fotosintetik
Hidrogenase
Substrat
Siklus
Asam Sitrat
elektron
Biosintesis
dan produk
pertumbuhan
Gambar 4
Proses terbentuknya hidrogen (Koku et al. 2002).
Nitrogenase
Nitrogenase merupakan kompleks enzim yang bertanggung jawab pada
proses fiksasi nitrogen. Ketika molekul nitrogen tersedia, enzim nitrogenase
bertanggung jawab untuk mengubah nitrogen menjadi amonia. Berikut adalah
reaksi fiksasi dari nitrogen
N2 + +8 H+ + 8 e- + 16ATP → 2NH3 + H2 + + 16ADP + 16Pi
(14)
Kompleks nitrogenase terdiri dari dua komponen yaitu dinitrogenase reduktase
(protein Fe) dan dinitrogenase (protein MoFe). Subunit dari nitrogenase
dikodekan oleh operon nifHDK. Komponen reduktase dari nitrogenase memiliki
dua subunit yang dikodekan oleh gen nifH dan subunit dinitrogenase dikodekan
oleh nifD dan gen nifK. nifA adalah aktivator transkripsi dari operon nifHDK
(Henson et al. 2004, Kars et al. 2006, Zhu & Li 2010).
Pada kondisi anaerob dan tidak adanya nitrogen, enzim nitrogenase
cenderung mengkatalisis reaksi pembentukan hidrogen dengan persamaan reaksi
seperti berikut (Koku et al. 2002)
2H+ + 2e-→ H2 + 4ATP + + 4ADP + 4Pi
(15)
14
Enzim nitrogenase akan mereduksi proton H+ menjadi gas hidrogen dengan
bantuan energi dalam bentuk ATP dan elektron yang diperoleh dari feredoksin
yang teroksidasi, dapat dilihat pada Gambar 5. Reaksi tersebut berlangsung dalam
keadaan anaerob karena adanya oksigen dapat menurunkan aktivitas enzim
nitrogenase (Asada & Miyake 1999, Koku et al. 2002, Kapdan & Kargi 2006,
Hallenbeck et al. 2009). Dalam studi yang dilakukan Akkose et al. (2009)
diketahui bahwa hidrogen diproduksi di bawah kondisi anaerobik adalah 3 kali
lebih tinggi daripada dalam kondisi aerobik. Ketiadaan nitrogen juga membantu
nitrogenase mereduksi proton menjadi gas hidrogen. Apabila terdapat cukup
nitrogen, nitrogenase lebih cenderung untuk mereduksi nitrogen menjadi amonia
(Chen et al. 2006). Selain itu, dalam proses pembentukan gas hidrogen, kerja
enzim nitrogenase juga dapat dihambat dengan kadar amonia dan amonium
berlebih serta rasio perbandingan nitrogen dan karbon (N/C) yang tinggi (Koku et
al. 2002, Kapdan & Kargi 2006).
Rendah H+
membran
Tinggi H+
Asam organik
Gambar 5
Proses terbentuknya hidrogen di dalam sel (Akkerman et al. 2002).
15
Hidrogenase
Hidrogenase merupakan enzim yang mengkatalisis oksidasi reversibel dari
H2 menjadi proton seperti persamaan 16
H2 ↔ 2H + + 2e-
(16)
Beberapa mikroorganisme menggunakan enzim ini dengan tujuan yang berbedabeda. Banyak bakteri dan arkea dapat menggunakan hidrogen sebagai sumber
elektronnya karena bantuan hidrogenase. Beberapa bakteri fermentatif dan alga
hijau menggunakan hidrogenase dengan fungsi yang berlawanan, yaitu melepas
kelebihan kekuatan reduksi dengan mereduksi proton menjadi hidrogen dan
bakteri pemfiksasi nitrogen menggunakan hidrogenase untuk menangkap kembali
hidrogen yang telah diproduksi oleh nitrogenase (Miyake 1998, Hallenbeck et al.
2009).
Pada mikroorganisme tertentu seperti pada bakteri fotosintetik, kehadiran
enzim hidrogenase dapat mengurangi hasil keseluruhan produksi hidrogen karena
mengkonsumsi sebagian hidrogen yang telah diproduksi. Untuk mengatasi
masalah ini, enzim hidrogenase dapat dinonaktifkan atau dihapus. Kars et al.
(2008) mengembangkan strain mutan hup¯ Rb. sphaeroides OU001 untuk
meningkatkan kapasitas produksi hidrogen dari sel dengan tidak mengaktifkan
enzim hidrogenase akibat mutagenesis situs terarah. Hasil penelitian tersebut
menunjukkan bahwa hidrogen yang dihasilkan dengan strain mutan-hup adalah
20% lebih tinggi dibandingkan dengan galur liarnya.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Produksi Hidrogen
Selain penggunaan substrat, banyak penelitian dilakukan mengenai optimasi
hasil produksi terhadap media dan lingkungan dengan tujuan agar dapat
meningkatkan produksi hidrogen. Seperti yang dilakukan oleh Habibi et al. (2010)
yang menyatakan adanya pengaruh lingkungan yaitu nilai pH, intensitas cahaya,
suhu dan kecepatan penggoyangan terhadap produksi hidrogen melalui proses
fotofermentasi. Penelitian tersebut menyatakan bahwa pH 7 merupakan pH
optimum untuk produksi gas hidrogen. Adapun penelitian yang dilakukan oleh
Devi et al. (2010), yaitu dengan mengalirkan gas CO2 selama beberapa waktu
sebagai bahan tambahan ke dalam media produksi dan membuktikan bahwa ada
16
selang waktu optimum pemberian CO2 dalam produksi hidrogen. Penelitian ini
dilakukan dengan menggunakan konsorsium bakteri anaerob dan menggunakan
glukosa sebagai substrat. Selain itu, ada penelitian yang dilakukan oleh Liu et al.
(2009) yang menyatakan adanya pengaruh ion Fe2+ terhadap produksi hidrogen
melalui proses fotofermentasi menggunakan asetat sebagai substrat dan
Rhodopseudomonas faecalis RLD-53 sebagai mikroba penghasil hidrogen.
Faktor-faktor tersebut juga dapat mempengaruhi kerja enzim nitrogenase. Oleh
karena itu, dari informasi di atas, diketahui bahwa baik yang ada di dalam media
(internal) maupun di luar media (eksternal) dapat mempengaruhi tingkat produksi
hidrogen.
Pengaruh jumlah substrat terhadap produksi hidrogen
Produksi hidrogen secara optimal oleh bakteri fotosintetik, sangat menarik
secara ekonomi. Akan tetapi tetap harus mempertimbangkan beberapa parameter,
seperti efisiensi dan hasil produksi terhadap jumlah sumber karbon.
Antonopoulou et al. (2011) telah melakukan penelitian tentang pengaruh
konsentrasi substrat pada produksi hidrogen secara fermentasi dari ekstrak sorgum
manis di dalam tangki bioreaktor yang diaduk secara kontinu. Konsentrasi
karbohidrat yang diuji berkisar 9,89-20,99 g/l, setara glukosa. Produksi hidrogen
tertinggi diperoleh pada konsentrasi 17,50 g karbohidrat/l dan 2,93 l H2/l
reaktor/hari dan 0,74 mol H2/mol glukosa yang dikonsumsi, atau sekitar 8,81 l
H2/kg sorgum manis. Percobaan tersebut menunjukkan bahwa produksi gas
hidrogen tergantung pada konsentrasi karbohidrat awal.
Pengaruh Jumlah ion besi (Fe) dan molibdenum (Mo) terhadap produksi
hidrogen
Proses produksi hidrogen secara fo
MAKANAN LOKAL UNTUK PRODUKSI HIDROGEN
DENGAN MENGGUNAKAN BAKTERI FOTOSINTETIK
Rhodobium marinum
KHAIRUL ANAM
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis yang berjudul Studi Pemanfaatan
Limbah Cair Industri Makanan Lokal untuk Produksi Hidrogen dengan
Menggunakan Bakteri Fotosintetik Rhodobium marinum adalah karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip
dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
Tesis ini.
Bogor, Agustus 2012
Khairul Anam
NRP P051090031
ABSTRACT
KHAIRUL ANAM. Study on the Utilization of Liquid Waste from Local Food
Industry for Hydrogen Production by Using Photosynthetic Bacteria Rhodobium
marinum. Under direction of KHASWAR SYAMSU and DWI SUSILANINGSIH
New, clean and renewable energy systems are required to encounter
environmental problems caused by the use of fossil energy sources. Hydrogen is
energy carrier that fulfills requirement of clean and environmental friendly energy
because hydrogen does not produce greenhouse gases in its combustion.
Photosynthetic bacteria are one among other bacteria that can produce hydrogen
through photo fermentation process. Liquid waste can be utilized as substrate to
produce hydrogen by photosynthetic bacteria. In this study, liquid wastes from
local food industries are utilized as organic sources for hydrogen production
process because of economical and environmental reasons. Photosynthetic
bacteria, Rhodobium marinum, were used as the agent for hydrogen production.
Milk, soya sauce and tofu liquid wastes were chosen as organic sources. These
liquid wastes were treated by centrifugation, neutralization and sterilization. The
wastes also have been characterized and it contains sugar, organic acid and
protein. Milk liquid waste directly can produce hydrogen about 141±24 ml after
been treated, meanwhile soya sauce liquid waste did not produce hydrogen and
had to be diluted. Tofu liquid waste also did not produce hydrogen and could not
be continued for optimization because of its small content of nutrients. Milk and
soya sauce liquid wastes were examined with dilution (1-80 g/l), addition of iron
(0-500 µmol/l for milk liquid waste and 0-160 µmol/l for soya sauce),
molybdenum (0-12 µmol/l for milk liquid waste and 0-160 µmol/l for soya sauce)
and sodium bicarbonate (0-6 g/l) for optimization purposes. The dilution of milk
liquid waste that gives 7.58 g/l total sugar concentration had the highest efficiency
with 3.22% mol hydrogen/mol hydrogen theoretical and 10.9 g/l for soya sauce
with 6.88% mol hydrogen/mol hydrogen theoretical. From these experiments, the
addition of iron, molybdenum and sodium bicarbonate does not affect hydrogen
production from milk and soya sauce liquid wastes. For kinetics parameters, milk
and soya sauce liquid waste which were treated by pretreatment and without
addition of iron, molybdenum, sodium bicarbonate, yeast extract and trace
element in SL-6 solution were used as hydrogen production medium with 900 ml
working volume. From the experiments, the maximum specific growth for R.
marinum in milk liquid waste was obtained to be 0.137 hours-1; Yx/s value was
0.45 g biomass/g substrate, Yp/s value was 0.017 g hydrogen/g substrate and Yp/x
value was 0.031 g hydrogen/g biomass. The maximum specific growth for R.
marinum in soya sauce liquid waste was obtained to be 0.245 hours-1; Yx/s value
was 0.475 g biomass/g substrate, Yp/s value was 0.041 g hydrogen/g substrate
and Yp/x value was 0.086 g hydrogen/g biomass.
Keywords: hydrogen, Rhodobium marinum, liquid waste, photo fermentation,
kinetic parameters
RINGKASAN
KHAIRUL ANAM. Studi Pemanfaatan Limbah Cair Industri Makanan Lokal
untuk Produksi Hidrogen dengan Menggunakan Bakteri Fotosintetik Rhodobium
marinum. Dibimbing oleh KHASWAR SYAMSU dan DWI SUSILANINGSIH
Energi bersih dan ramah lingkungan merupakan energi alternatif bagi
energi berbasis fosil yang saat ini persediaannya semakin menipis dan telah
menyebabkan masalah lingkungan. Hidrogen merupakan energi carrier yang
ideal untuk dikembangkan sebagai pengganti peran bahan bakar berbasis fosil.
Hidrogen tidak menghasilkan gas rumah kaca dalam pembakarannya sehingga
aman bagi lingkungan. Ada beberapa cara untuk memproduksi hidrogen, antara
lain dengan cara steam reforming, elektrolisis, gasifikasi dan biologi. Dari
beberapa cara tersebut di atas, cara biologi merupakan cara yang efisien karena
dapat terbarukan.
Produksi hidrogen secara biologi menggunakan mikroorganisme sebagai
agen biologi untuk menghasilkan gas hidrogen dari substrat yang dapat
terbarukan. Salah satu mikroorganisme yang diketahui sebagai penghasil
hidrogen adalah Rhodobium marinum. R. marinum merupakan bakteri fotosintetik
dan bagian dari bakteri ungu non sulfur yang dapat memanfaatkan bermacammacam bahan organik untuk menghasilkan hidrogen. R. marinum juga dapat
menghasilkan hidrogen dengan memanfaatkan limbah sebagai substrat.
Selanjutnya, limbah dipilih sebagai media produksi karena nilainya yang rendah
dan juga banyak dihasilkan. Limbah yang mengandung bahan organik seperti gula
dan asam-asam organik merupakan limbah yang sangat cocok untuk produksi gas
hidrogen dengan menggunakan bakteri R. marinum. Limbah cair merupakan
bentuk limbah yang paling mudah dimanfaatkan sebagai media untuk produksi
hidrogen.
Berdasarkan hal tersebut, penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk
mencari limbah cair mana yang dapat dimanfaatkan sebagai media produksi
hidrogen oleh bakteri R. marinum. Kemudian dilanjutkan dengan penyesuaian
terhadap media baik yang ada di dalam limbah maupun yang akan ditambahkan
ke dalam limbah dengan tujuan untuk mendapatkan produksi hidrogen yang
optimal. Penyesuaian yang dilakukan antara lain adalah efisiensi jumlah
kandungan substrat yang ada pada limbah, penambahan besi, molibdenum dan
natrium bikarbonat dalam rangka optimasi terhadap proses fotofermentasi yang
dilakukan pada botol serum 125 ml dengan volume kerja 80 ml, diinkubasi pada
suhu ruang, yaitu sekitar ± 30°C di atas shaker dengan kecepatan 120 rpm,
dengan intensitas cahaya 60 watt/m2 dengan nilai OD bakteri 0,1–0,2. Selain itu
juga dilakukan pengukuran parameter kinetika produksi hidrogen dari limbah dan
pertumbuhan bakteri R. marinum.
Limbah susu, kecap dan tahu merupakan limbah yang diketahui
mengandung gula dan asam organik sehingga dianggap cocok apabila digunakan
sebagai media produksi hidrogen. Dalam proses produksi, limbah tahu tidak
menghasilkan gas hidrogen dalam proses fotofermentasinya, meskipun pada
limbah telah dilakukan preparasi dan penambahan bahan. Berdasarkan analisa
kandungan limbahnya, limbah tahu hanya memiliki kandungan asam organik dan
gula yang sangat sedikit yaitu 15 mmol/l dan 0,1 g/l (0,01%) secara berurutan. Hal
ini yang menyebabkan limbah tahu tidak dapat memproduksi hidrogen dimana
asam organik dan gula merupakan sumber karbon yang sangat penting, baik bagi
pertumbuhan bakteri maupun produksi hidrogen. Tetapi, apabila dilihat dari
kandungan protein, yaitu 0,94%, sebenarnya limbah tahu merupakan penyedia
sumber N (nitrogen) yang baik untuk pertumbuhan bakteri.
Limbah susu merupakan limbah yang berbentuk suspensi dimana pada
limbah tersebut terdapat gumpalan-gumpalan coklat. Untuk mendapatkan bentuk
limbah cair yang optimal, maka limbah susu dipreparasi dengan metode
pemanasan untuk melarutkan padatan yang ada lalu dengan penyaringan atau
sentrifugasi padatan dan cairan limbah dipisahkan. Cairan limbah yang telah
dipisahkan dari padatan, kemudian dinetralisasi dengan larutan basa (NaOH)
untuk mendapatkan pH media yang optimal yaitu pada pH 7. Limbah susu yang
telah dipreparasi merupakan media yang dapat memproduksi gas hidrogen secara
langsung dengan kandungan asam organik dan gula pada MP sebesar 70 mM dan
71 g/l secara berurutan. Setelah dipastikan dapat menghasilkan gas hidrogen,
maka pada limbah susu dilakukan efisiensi jumlah kandungan substrat yang ada
pada limbah dan penambahan besi, molibdenum serta natrium bikarbonat dalam
rangka optimasi. Pada tahap efisiensi substrat dengan konsentrasi 1-80 g/l,
diperoleh produksi hidrogen mencapai efisiensi produksi tertinggi dengan nilai
3,22% mol hidrogen/mol hidrogen teoritis pada konsentrasi gula total kurang
lebih 7,58 g/l. Optimasi selanjutnya yang dilakukan adalah pemberian unsur besi
0-500 µmol/l, molibdenum 1-12 µmol/l dan natrium bikarbonat 0-6 g/l. Dari hasil
uji analisa keragaman (analysis of varian, ANOVA) yang dilakukan, diperoleh
bahwa penambahan bahan-bahan tersebut tidak memberikan pengaruh yang nyata
terhadap produksi hidrogen. Oleh karena itu, ditambahkannya atau tidak bahanbahan tersebut, secara statistik tidak memberikan pengaruh bertambahnya
produksi hidrogen. Berdasarkan hasil tersebut dilakukan pengukuran parameter
kinetika produksi hidrogen dengan tidak dilakukan penambahan bahan dari luar
baik besi, molibdenum, natrium bikarbonat, ekstrak khamir dan SL-6. Hasil
pengukuran parameter kinetika produksi hidrogen secara fotofermentasi dengan
R. marinum pada volume kerja 900 ml, diperoleh nilai laju pertumbuhan spesifik
maksimum sebesar 0,137 jam-1 dan nilai Yx/s yang adalah 0,261 g biomassa/g
substrat, nilai Yp/s adalah 0,017 g hidrogen/g substrat dan nilai Yp/x = 0,064 g
hidrogen/g biomassa.
Limbah kecap merupakan limbah yang berbentuk larutan berwarna hitam
kental yang berbau khas dan telah bercampur dengan padatan seperti pasir. Untuk
memisahkan cairan dan padatan yang ada pada limbah, dilakukan sentrifugasi
terhadap limbah. Limbah kecap yang telah disentrifugasi dan dinetralkan, tidak
dapat secara langsung memproduksi hidrogen ketika dilakukan proses
fotofermentasi dengan R. marinum terhadapnya. Limbah kecap ini diketahui
mengandung asam organik dan gula sebesar 300 mM dan 125 g/l. Diyakini karena
sifat fisiknya yang menyebabkan tidak dapat diproduksinya hidrogen, limbah
kecap kemudian diencerkan untuk mengatasi warna dan kekentalan sifat fisiknya.
Pada tahap efisiensi jumlah substrat (1-80 g/l), diketahui pada konsentrasi gula
total 10,9 g/l, produksi hidrogen mencapai efisiensi produksi tertinggi dengan
nilai 6,88% mol hidrogen/mol hidrogen teoritis. Dari tahap ini diketahui bahwa
dari nilai gula yang terkandung dalam media produksi limbah kecap sebesar 75125 g/l, gas hidrogen tidak dapat diproduksi. Optimasi selanjutnya yang dilakukan
adalah pemberian unsur besi 0-160 µmol/l, molibdenum 0-160 µmol/l dan
natrium bikarbonat 0-6 g/l. Dari uji ANOVA yang dilakukan, diperoleh hasil
bahwa penambahan bahan-bahan tersebut juga tidak memberikan pengaruh yang
nyata terhadap produksi hidrogen. Oleh karena itu, sama halnya dengan limbah
susu, ditambahkannya atau tidak bahan-bahan tersebut pada media limbah kecap
tidak memberikan pengaruh bertambahnya produksi hidrogen. Berdasarkan hasil
tersebut dilakukan pengukuran parameter kinetika produksi hidrogen dengan
tanpa ada penambahan bahan dari luar baik besi, molibdenum, natrium
bikarbonat, ekstrak khamir dan SL-6. Dari hasil pengukuran parameter kinetika
produksi hidrogen secara fotofermentasi dengan R. marinum pada volume kerja
900 ml, diperoleh nilai laju pertumbuhan spesifik maksimum sebesar 0,245 jam-1
dan nilai Yx/s adalah 0,475 g biomassa/g substrat, nilai Yp/s adalah 0,041 g
hidrogen/g substrat dan nilai Yp/x = 0,086 g hidrogen/g biomassa.
Kata kunci: hidrogen, Rhodobium marinum, limbah cair, fotofermentasi,
parameter kinetika
© Hak Cipta milik IPB dan LIPI, tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang
wajar IPB dan LIPI
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apapun tanpa izin IPB dan LIPI
STUDI PEMANFAATAN LIMBAH CAIR INDUSTRI
MAKANAN LOKAL UNTUK PRODUKSI HIDROGEN
DENGAN MENGGUNAKAN BAKTERI FOTOSINTETIK
Rhodobium marinum
KHAIRUL ANAM
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Bioteknologi
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Penguji Luar Komisi Pada Ujian Tesis: Dr. Mulyorini Rahayuningsih
Judul Penelitian
Nama
NRP
: Studi Pemanfaatan Limbah Cair Industri Makanan Lokal
untuk Produksi Hidrogen dengan Menggunakan Bakteri
Fotosintetik Rhodobium marinum
: Khairul Anam
: P051090031
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir. Khaswar Syamsu, M.Sc.
Ketua
Dr. Dwi Susilaningsih, M.Pharm.
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Bioteknologi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Suharsono, DEA.
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc. Agr.
Tanggal Ujian:
Tanggal Lulus:
untukku, anak-anakku, ibu dari anak-anakku dan keluargaku …
PRAKATA
Segala puji hanya bagi Allah SWT yang telah melimpahkan rahmah, hidayah
dan inayahNya kepada penulis sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema
yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2011 ini ialah
biohidrogen dengan judul Studi Pemanfaatan Limbah Cair Industri Makanan Lokal
untuk Produksi Hidrogen dengan Menggunakan Bakteri Fotosintetik Rhodobium
marinum.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Khaswar Syamsu,
M.Sc. dan Ibu Dr. Dwi Susilaningsih, M.Pharm. selaku komisi pembimbing yang
telah memberikan bimbingan, arahan dan petunjuk selama berlangsungnya penelitian
dan penyusunan karya ilmiah ini. Terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Suharsono,
DEA. dan Ibu Dr. Mulyorini Rahayuningsih yang telah memberikan saran dan arahan
dalam penyusunan naskah karya ilmiah ini. Semoga amal yang diberikan mendapat
balasan yang setimpal dari Allah SWT. Penulis juga mengucapkan terima kasih
kepada Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) atas bantuan dana dan
kesempatan yang diberikan kepada penulis, baik melalui karyasiswa LIPI maupun
program kompetitif, sehingga penulis dapat menyelesaikan studi yang telah
diamanahkan.
Tidak lupa penulis memberikan penghargaan kepada segenap staf pengajar,
karyawan dan rekan-rekan angkatan 2009 di program studi Bioteknologi Pascasarjana
IPB yang telah berbagi ilmu dan nasehat kepada penulis selama menjalankan
studinya. Tidak lupa penulis juga ucapkan terima kasih kepada rekan-rekan di Lab
Bioenergi dan Bioproses, Puslit Bioteknologi LIPI, yang sedianya telah membantu
kelancaran penelitian ini. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada ibu,
istri dan anak-anakku serta seluruh keluarga atas segala doa, kasih sayang dan
dukungan yang diberikan.
Penulis menyadari bahwa karya ilmiah ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu,
penulis dengan segala kerendahan hati, terbuka untuk menerima segala saran dan
kritik yang membangun demi kemajuan di masa mendatang. Harapan penulis,
semoga dengan segala kekurangannya karya ilmiah ini, dapat diambil manfaatnya.
Bogor, Agustus 2012
Khairul Anam
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 30 Agustus 1982 dengan ayah
bernama H. Moch. Chairuddin, BS. (Alm) dan ibu Dra. Hj. Rohmah Sarmala.
Penulis merupakan putra bungsu dari tujuh bersaudara. Pada tahun 2004, penulis
memperoleh gelar Sarjana Farmasi dari Fakultas Farmasi, Universitas Gadjah
Mada (UGM). Kemudian, penulis melanjutkan studinya ke Program Profesi
Apoteker UGM dan lulus pada tahun 2005. Sempat bekerja sebagai asisten dosen
Fakultas Farmasi Universitas Pancasila, pada tahun 2006 penulis masuk ke
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) dan bekerja sebagai peneliti di Pusat
Penelitian Bioteknologi. Pada tahun 2009, penulis mendapatkan kesempatan tugas
belajar dari LIPI untuk menempuh Program Magister Sains di IPB. Penulis
memilih program studi Bioteknologi dalam melanjutkan studinya. Saat ini penulis
aktif melakukan penelitian khususnya dibidang bioproses yang mencakup tema
tentang energi, bioremediasi maupun obat dan makanan dengan memanfaatkan
mikroorganisme seperti bakteri fotosintetik dan mikroalga.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ………………………………………………………..
xxv
DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………. xxvii
DAFTAR LAMPIRAN ………………………………………………….. xxix
PENDAHULUAN ………………………………………………………..
1
Latar Belakang ……………………………………………………
1
Tujuan Penelitian …………………………………………………
3
TINJAUAN PUSTAKA ………………………………………………….
5
Hidrogen ………………………………………………………….
5
Manfaat Hidrogen …………………………………………………
5
Metode Produksi Hidrogen ……………………………………….
7
Produksi Hidrogen Secara Biologi ………………………………..
8
Bakteri Fotosintetik ……………………………………………….
9
Nitrogenase ……………………………………………………….
13
Hidrogenase ……………………………………………………….
15
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Produksi Hidrogen …………..
15
METODOLOGI ………………………………………………………….
19
Waktu dan Tempat Penelitian …………………………………….
19
Cara Kerja …………………………………………………………
19
HASIL DAN PEMBAHASAN …………………………………………..
27
Preparasi Limbah …………………………………………………
27
Karakterisasi Limbah ……………………………………………..
31
Seleksi Limbah Cair ………………………………………………
31
Optimasi …………………………………………………………..
32
Pengukuran Parameter Kinetika Produksi Hidrogen ..……………
40
Analisa Hasil Produksi Hidrogen …………………………………
46
SIMPULAN DAN SARAN ……………………………………………...
49
Simpulan ……………………………………………………………..
49
Saran ………………………………………………………………….
50
DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………….
51
LAMPIRAN ………………………………………………………………
55
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Karakteristik limbah cair industri makanan setelah dipreparasi. ……….. 31
2 Produksi rata-rata hidrogen secara fotofermentasi dari limbah susu …… 33
3 Produksi rata-rata hidrogen secara fotofermentasi dari limbah kecap ….. 35
4 Perubahan nilai berat biomassa (X), ln berat biomassa (ln X), gula
sebagai substrat (S) dan hidrogen sebagai produk (P) pada proses
fotofermentasi limbah susu sebagai media produksi hidrogen skala 1
liter ……………………………………………………………………… 41
5 Perubahan nilai berat biomassa (X), ln berat biomassa (ln X), gula
sebagai substrat (S) dan hidrogen sebagai produk (P) pada proses
fotofermentasi limbah kecap sebagai media produksi hidrogen skala 1
liter ……………………………………………………………………… 42
6 Hasil produksi biohidrogen dari limbah cair industri makanan melalui
proses fotofermentasi beberapa literatur ………………………………... 47
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Skema sederhana Hydrogen Fuel Cell ………………………………
6
2 Foto bakteri R. marinum …………………………………………….
10
3 Proses terjadinya glikolisis dan terbentuknya asam organik melalui
jalur Krebs …………………………………………………………
12
4 Proses terbentuknya hidrogen………………………………………..
13
5 Proses terbentuknya hidrogen di dalam sel…………………………..
14
6 Sistem fotobioreaktor percobaan…………………………………….
20
7 Proses fotofermentasi dengan shaker dan menggunakan penerangan
lampu TL……………………………………………………………..
21
8 Sistem fotobioreaktor pada percobaan pengukuran parameter
kinetika produksi hidrogen ………………………………………….
24
9 Diagram alur kerja penelitian ………………………………………..
27
10 Limbah cair tahu, kecap dan susu …………………………………...
30
11 Volume hidrogen hasil fotofermentasi limbah cair industri susu, tahu
dan kecap dengan R. marinum…………………………………
32
12 Hidrogen hasil optimasi jumlah substrat pada proses fotofermentasi
limbah cair industri susu dengan R. marinum………………………..
34
13 Efisiensi produk hasil optimasi jumlah substrat pada proses
fotofermentasi limbah cair industri susu dengan R. marinum……….
34
14 Efisiensi substrat hasil optimasi jumlah substrat pada proses
fotofermentasi limbah cair industri susu dengan R. marinum………
35
15 Hidrogen hasil optimasi jumlah substrat pada proses fotofermentasi
limbah cair industri kecap dengan R. marinum……………………...
36
16 Efisiensi produk hasil optimasi jumlah substrat pada proses
fotofermentasi limbah cair industri kecap dengan R. marinum……...
36
17 Efisiensi substrat hasil optimasi jumlah substrat pada proses
fotofermentasi limbah cair industri kecap dengan R. marinum……...
37
18 Perbandingan produksi gas hidrogen hasil fotofermentasi limbah
susu dengan perbedaan penambahan jumlah Fe, Mo dan NaHCO3
pada media produksi…………………………………………………
38
19 Perbandingan produksi gas hidrogen hasil fotofermentasi limbah
kecap dengan perbedaan penambahan jumlah Fe, Mo dan NaHCO3
pada media produksi…………………………………………………
39
20 Kurva ln berat biomassa (ln X) dan laju pertumbuhan spesifik
bakteri fotosintetik R. marinum pada proses fotofermentasi produksi
hidrogen……………………………………………………………...
43
21 Koefisien yield biomassa/substrat (Yx/s), koefisien yield
produk/substrat (Yp/s) dan koefisien Yield produk/biomassa (Yp/x)
pada proses fotofermentasi…………………………………………..
44
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Laporan Hasil Pengujian Kadar N total, Besi (Fe) dan Molibdenum
(Mo)………………………………………………………………….
57
2 Kurva standar glukosa ………………………………………………..
62
3 Kurva standar berat biomassa………………………………………...
63
4 Kurva standar hidrogen………………………………………………
64
5 Kromatogram standar hidrogen………………………………………
65
6 Kromatogram sampel hidrogen……………………………………….
66
7 Volume hidrogen tiap perlakuan dan analisis statistik ........................
68
8 Foto-foto penelitian …………………………………………………..
74
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pemakaian bahan bakar fosil yang terjadi sejak dahulu hingga saat ini telah
mengakibatkan semakin langkanya persediaan bahan bakar tersebut, ditandai
melonjaknya harga bahan bakar fosil di pasaran dunia (Kirtay 2011; Mohan et al.
2008). Selain itu, penggunaan bahan bakar fosil yang terus menerus telah
menghasilkan gas-gas yang dapat menimbulkan masalah lingkungan dan
menyebabkan efek rumah kaca sehingga mengakibatkan pemanasan global yang
berujung pada perubahan iklim di bumi (Lin & Lay 2004; Chen et al. 2006).
Dengan adanya krisis energi dan masalah lingkungan yang ditimbulkan, maka
perlu dikembangkan suatu energi alternatif yang dapat menggantikan peran bahan
bakar berbasis fosil.
Hidrogen merupakan salah satu sumber energi alternatif yang ideal untuk
dikembangkan sebagai pengganti peran bahan bakar berbasis fosil. Sebagai bahan
bakar, hidrogen dapat menghasilkan energi lebih besar daripada energi yang
dihasilkan oleh bensin pada berat yang sama (Kapdan & Kargi 2006). Hidrogen
pun lebih ramah lingkungan karena pada proses pembakarannya hanya
menghasilkan uap air. Akan tetapi , keberadaan hidrogen dalam bentuk gas relatif
jarang ditemukan secara alami di bumi (Lestari 2004). Oleh karena itu, gas
hidrogen perlu diproduksi.
Ada beberapa cara untuk memproduksi hidrogen, antara lain dengan cara
steam reforming, elektrolisis, gasifikasi dan biologi (Chen et al 2006, Kapdan &
Kargi 2006, Li & Fang 2008, Kirtay 2011). Dari beberapa cara tersebut di atas
cara biologi merupakan cara yang efisien dan dapat terbarukan (Li & Fang 2008).
Diketahui hidrogen dapat dihasilkan dari beberapa mikroorganisme, seperti
mikroorganisme fotosintetik termasuk di dalamnya sianobakter dan bakteri
fotosintetik (Miyake 1998, Najafpour et al. 2004, Fang et al. 2006). Selain itu
hidrogen juga dapat diproduksi oleh mikroorganisme non-fotosintetik seperti
bakteri pengikat nitrogen dan bakteri anaerob (Ike et al. 1999). Telah dilakukan
berbagai penelitian dalam produksi biohidrogen untuk mendapatkan hasil
produksi hidrogen yang maksimal. Dari penelitian yang dilakukan oleh Miyake
2
(1998) dilaporkan bahwa bakteri fotosintetik dapat menghasilkan gas hidrogen
lebih banyak dibandingkan dengan bakteri anaerob secara stoikiometri dengan
menggunakan glukosa sebagai substrat. Oleh karena itu, dengan produksi
hidrogen yang tinggi dibandingkan dengan bakteri lain, maka dalam penelitian ini
bakteri fotosintetik digunakan untuk menghasilkan gas hidrogen.
Beberapa penelitian memanfaatkan bakteri fotosintetik sebagai agen
biologis penghasil gas hidrogen karena bakteri tersebut dapat memanfaatkan
bermacam-macam bahan organik sebagai substrat. Ada penelitian yang
memanfaatkan glukosa sebagai substrat untuk produksi biohidrogen (Redwood &
Macaskie 2006). Beberapa penelitian memanfaatkan asam laktat dan asam
organik lainnya sebagai substrat (Ike et al. 1999, Barbosa et al. 2001, Kawaguchi
et al. 2002, Li & Fang 2008). Semakin maraknya penggunaan bahan-bahan
organik untuk bahan dasar dalam produksi energi alternatif tersebut telah
menyebabkan kekhawatiran memicu naiknya harga bahan pangan. Oleh karena itu
perlu dikembangkan suatu sistem untuk memproduksi gas hidrogen tanpa harus
bersaing dengan bahan-bahan yang berbasis pada kebutuhan pangan.
Limbah organik dengan kandungan nitrogen yang rendah diketahui
merupakan substrat yang ideal untuk produksi hidrogen secara fotofermentasi.
Beberapa literatur menyatakan bahwa bakteri fotosintetik dapat memanfaatkan
jenis limbah organik yang beragam sebagai sumber karbon dalam produksi
hidrogen. Limbah-limbah yang dimaksud antara lain, yaitu limbah cair dari
industri gula (Yetis et al. 2000), industri susu (Turkarslan et al. 1998), industri
tahu (Zhu et al. 1999), industri fermentasi asam laktat (Sasikala & Ramana 1991),
endapan limbah (Sunita & Mitra, 1993) dan limbah kota (Fascetti et al. 1998).
Limbah cair yang mengandung bahan-bahan organik merupakan bentuk limbah
yang paling mudah untuk dikonversi menjadi gas hidrogen (Miyake 1998).
Adapun limbah yang akan digunakan dalam studi ini adalah limbah cair yang
berasal dari industri makanan lokal yang mengandung bahan organik yang dapat
dikonversi menjadi gas hidrogen, seperti limbah cair dari industri kecap, susu dan
tahu.
Limbah industri kecap manis merupakan limbah cair yang diperoleh dari
proses produksi yaitu berupa tumpahan cairan kecap selama proses produksi
3
berlangsung. Tumpahan ini tidak langsung dibuang ke saluran air akan tetapi
ditampung terlebih dahulu di dalam drum bekas. Dari komposisi kecap manis,
diketahui limbah ini banyak mengandung gula yang diketahui dapat dikonversi
menjadi hidrogen. Limbah industri susu coklat UHT (ultra high temperature)
adalah produk retur, kadaluarsa dan produk yang tidak memenuhi syarat untuk
dikomersialisasikan. Limbah ini ditampung ke dalam suatu wadah pengolahan
limbah dan diambil sebelum proses pengolahan limbah tersebut berlangsung. Dari
komposisi produk susu tersebut, diketahui bahwa cairan limbah ini juga
mengandung gula yang dapat diubah menjadi hidrogen. Limbah industri tahu
adalah limbah yang diperoleh dari pabrik pengolahan tahu. Limbah ini berasal
dari cairan yang digunakan sebagai koagulan dalam pembuatan tahu. Limbah ini
diambil sebelum dibuang langsung ke dalam aliran sungai. Dari komposisi cairan
yang digunakan, limbah ini mengandung asam yang dapat dikonversi menjadi
hidrogen. Oleh karena itu, limbah cair industri makanan merupakan limbah yang
sangat cocok untuk digunakan sebagai media produksi gas hidrogen.
Keuntungan dari pemakaian limbah sebagai media produksi, selain
merupakan bahan baku murah, pemanfaatan limbah untuk menghasilkan energi
dapat mengurangi biaya untuk pengolahan limbah tersebut dan juga dapat
mengurangi dampak lingkungan akibat limbah yang secara sengaja dibuang
sembarangan. Energi yang dihasilkan pun dapat memberi nilai tambah bagi
limbah itu sendiri. Oleh karena itu, dalam penelitian ini, limbah cair industri
makanan lokal dicoba dimanfaatkan sebagai media untuk menghasilkan gas
hidrogen dengan menggunakan bakteri fotosintetik, Rhodobium marinum, sebagai
mikroorganisme penghasil gas hidrogen.
Tujuan Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan sistem
produksi biohidrogen dengan memanfaatkan limbah cair dari industri makanan
lokal. Adapun tujuan khusus penelitian ini antara lain 1) untuk mengetahui apakah
limbah cair industri makanan, seperti susu, kecap dan tahu, yang mengandung
bahan-bahan organik, dapat menghasilkan hidrogen melalui proses fotofermentasi
menggunakan bakteri fotosintetik, R. marinum, 2) untuk mengetahui nilai
4
optimum dari perbedaan konsentrasi bahan organik yang terkandung di dalam
media, penambahan natrium bikarbonat yang berperan melepaskan CO2 dan
penambahan senyawa yang mengandung besi dan molibdenum pada media limbah
yang dapat menghasilkan hidrogen terbanyak, 3) untuk mengetahui parameter
kinetika fotofermentasi limbah hasil seleksi.
TINJAUAN PUSTAKA
Hidrogen
Hidrogen merupakan elemen paling sederhana yang ada di dunia. Satu atom
hidrogen memiliki satu proton dan satu elektron. Hidrogen adalah elemen paling
ringan dan berbentuk gas pada tekanan dan temperatur normal. Dalam bentuk gas,
hidrogen (H2) adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan tidak larut di
dalam air. Gas hidrogen sangat mudah terbakar yang akan terbakar pada
konsentrasi 4% H2 di udara. Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286 kJ/mol
(Lestari 2004). Hidrogen terbakar menurut persamaan 1
2 H2+ O2 → 2 H2O + 572 kJ ΔG = 286 kJ/mol
(1)
Hidrogen adalah gas yang paling melimpah di alam semesta dan merupakan
sumber dari energi yang kita terima dari matahari. Matahari pada dasarnya adalah
bola raksasa yang tersusun oleh gas hidrogen dan helium. Pada proses terjadinya
fusi, 4 atom hidrogen bereaksi membentuk 1 atom helium dan melepaskan energi
berupa radiasi. Energi dari radiasi tersebut merupakan sumber energi paling
melimpah yang kita terima. Radiasi memberi kita cahaya dan panas yang
membuat tanaman dapat tumbuh. Adanya panas yang ditimbulkan mengakibatkan
angin bertiup dan hujan turun serta tersimpan sebagai energi kimia di dalam bahan
bakar fosil. Hampir semua energi yang kita manfaatkan saat ini bersumber pada
matahari. Di bumi, hidrogen umumnya ditemukan dalam bentuk komponen dari
suatu senyawa. Berkombinasi dengan oksigen, hidrogen membentuk air (H2O).
Kombinasi hidrogen dengan karbon dapat membentuk metana (CH4), batu bara
dan minyak bumi (www.need.org 2011). Hidrogen juga ditemukan pada mahluk
hidup (biomassa).
Manfaat Hidrogen
Kegunaan hidrogen sendiri bermacam-macam. Hidrogen dapat digunakan
untuk balon meteorologi karena merupakan gas yang paling ringan. Hidrogen juga
digunakan dalam pembuatan margarin dengan mengubah minyak yang merupakan
ester tidak jenuh menjadi jenuh dengan bantuan katalis (Lestari 2004). Hidrogen
juga dapat digunakan sebagai bahan bakar dan akan menghasilkan energi tiga kali
6
lebih besar daripada energi yang dihasilkan oleh bensin pada berat yang sama
(Kapdan & Kargi 2006, www.need.org 2011). Cairan hidrogen biasa digunakan
sebagai bahan bakar roket karena mempunyai kalor pembakaran yang besar, 120
kJ/g. Seiring berjalannya waktu, pemanfaatan hidrogen sebagai bahan bakar
dinilai sangat penting untuk menggantikan peran bahan bakar berbasis fosil yang
saat ini keberadaannya semakin sedikit akibat pemakaian yang terus menerus.
Selain dapat menghasilkan energi yang cukup besar, hidrogen juga ramah
lingkungan karena pembakaran hidrogen tidak mengeluarkan gas yang dapat
mengakibatkan polusi dan efek rumah kaca seperti bahan bakar fosil selama ini.
Sisa pembakaran hidrogen hanya menghasilkan uap air sehingga ramah bagi
lingkungan.
Gas hidrogen dapat diaplikasikan pemanfaatannya sebagai bahan bakar
bila disertai dengan sistem fuel cell (hydrogen fuel cell) sebagai sumber (alat)
yang dapat menghasilkan listrik. Kinerja hydrogen fuel cell serupa seperti aki
(accu), hanya saja reaksi kimia penghasil tenaga listrik ini menggunakan hidrogen
dan oksigen yang bereaksi dan mengalir seperti aliran bahan bakar melalui sebuah
karburator. Tidak ada pembakaran dalam proses pembangkit listrik ini. Dengan
demikian limbah dari proses ini hanyalah air yang aman untuk dibuang.
Gambar 1
Skema sederhana Hydrogen Fuel Cell (Ming 2010).
Secara sederhana proses pengubahan energi kimia menjadi listrik dengan
perantaraan fuel cell dapat dilihat pada Gambar 1. Hidrogen dialirkan melewati
anoda dan oksigen/udara dialirkan pada katoda. Pada anoda dengan bantuan
katalis, hidrogen dipecah menjadi bermuatan positif dan melepas elektron.
Membran di tengah-tengah anoda dan katoda berfungsi mengalirkan proton
7
menyeberang ke katoda. Proton yang tiba di katoda bereaksi dengan oksigen atau
udara dan menghasilkan air. Tumpukan elektron di anoda akan menjadi energi
listrik searah yang dapat menyalakan lampu. Namun ada hal yang sangat penting
yang harus dimengerti mengenai bahan bakar hydrogen fuel cell ini bahwa
hidrogen di bumi tidak dapat langsung ditambang atau dipanen karena hidrogen
biasa ditemukan dalam bentuk komponen dari suatu senyawa. Oleh karena itu,
hidrogen perlu diproduksi (www.need.org 2011).
Metode Produksi Hidrogen
Ada beberapa cara untuk memproduksi hidrogen, antara lain dengan cara
steam reforming, elektrolisis dan gasifikasi biomassa serta secara biologi (Chen et
al. 2006, Kapdan & Kargi 2006, Li & Fang 2008, Kirtay 2011). Steam reforming
adalah proses dimana suhu uap air yang tinggi akan memisahkan hidrogen dari
ikatan atom karbon pada metana, dapat dilihat pada persamaan 2. Hidrogen yang
diproduksi melalui metode ini tidak digunakan untuk bahan bakar akan tetapi
untuk keperluan proses di dalam industri. Metode ini merupakan metode produksi
hidrogen paling efektif saat ini. Tetapi di dalam metode ini baik proses pembuatan
dan untuk sumber penghasil panas keduanya menggunakan bahan bakar berbasis
fosil sehingga tidak efisien.
CH4 + H2O → CO + 3H2
(2)
Elektrolisis, yaitu memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen dengan
aliran listrik (persamaan 3). Proses ini akan menghasilkan hidrogen yang memiliki
kemurnian yang tinggi. Tetapi, dalam proses elektrolisis dibutuhkan energi listrik
yang sangat besar yang berasal dari bahan bakar fosil, sehingga juga dianggap
belum efisien. Cara ini bisa lebih efisien apabila dalam prosesnya menggunakan
listrik yang berasal dari energi terbarukan.
2 H2O → 2 H2 + O2
(3)
Pada metode gasifikasi, biomassa dapat digunakan sebagai bahan dasar
untuk menghasilkan gas hidrogen. Biomassa kayu-kayuan dan limbah pertanian
dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi sehingga menghasilkan gas hidrogen dan
gas-gas lainnya. Hal ini juga masih belum efisien karena membutuhkan banyak
8
energi untuk pemanasan akan tetapi menjadi efisien apabila biomassa juga
dimanfaatkan untuk menghasilkan panas (Bossel 2006, www.need.org 2011).
Produksi hidrogen secara biologis dapat menjadi alternatif yang digunakan
dalam memproduksi gas hidrogen. Dengan memanfaatkan biomassa, produksi
hidrogen secara biologis termasuk ke dalam sumber energi terbarukan. Dengan
dukungan banyak penelitian dan pengembangan, produksi gas hidrogen melalui
proses biologi telah berhasil menyita perhatian beberapa tahun terakhir ini
(Kapdan & Kargi 2006).
Produksi Hidrogen Secara Biologi
Ada beberapa mikroorganisme yang dapat menghasilkan gas hidrogen
sebagai produk samping pada proses pertumbuhannya dengan menggunakan
sumber yang dapat terbarukan seperti air, biomassa dan cahaya matahari.
Beberapa mikroorganisme yang dapat menghasilkan hidrogen, antara lain
sianobakteria, bakteri anaerob dan bakteri fotosintetik (Miyake 1998, Koku et al.
2002, Chen et al. 2006). Semua proses yang melibatkan produksi hidrogen tidak
lepas dengan adanya pengaruh enzim yang berperan mengkatalisis diproduksinya
gas hidrogen (Hallenbeck & Benemann 2002).
Sianobakteria memecah air menjadi hidrogen dan oksigen melalui proses
fotosintesis (fotolisis). Mikroorganisme ini bersifat fotoautotrof dan tidak
memerlukan bahan organik sebagai substrat untuk menghasilkan hidrogen.
Mikroorganisme ini menangkap energi dari cahaya matahari yang memecah air
menjadi oksigen dan melepas elektron (persamaan 4). Elektron yang dihasilkan
mereduksi feredoxin lalu bergerak ke enzim hidrogenase yang mengubah proton
H+ menjadi H2. Keuntungan dari proses ini adalah dapat mengubah air menjadi
hidrogen secara langsung. Tetapi, diproduksinya oksigen sebagai hasil samping
proses fotosintesis dapat menghambat kerja dari enzim nitrogenase dan
hidrogenase (Das & Veziroglu 2008, Hallenbeck et al. 2009).
2 H2O + energi cahaya → O2 + 2 H2
(4)
Bakteri anaerob secara heterotrof melalui fermentasi gelap menghasilkan
molekul hidrogen dengan memanfaatkan bahan organik sebagai substrat. Bakteri
anaerob mengubah glukosa sebagai substrat organik menjadi senyawa organik
9
yang lebih kecil melalui proses glikolisis. Enzim yang terlibat dalam produksi
hidrogen pada bakteri anaerob adalah enzim hidrogenase. Keuntungan dari proses
ini adalah banyak sumber bahan organik yang dapat digunakan sebagai substrat.
Fermentasi juga dapat berlangsung terus karena tidak membutuhkan cahaya dan
juga dapat menghasilkan beberapa produk samping berharga seperti asam butirat,
asam asetat dan asam laktat (Chen et al. 2006, Kapdan & Kargi 2006, Kotay &
Das 2008). Akan tetapi, hasil produksi gas hidrogen hanya sedikit, rasio konversi
substrat ke produk kecil (Miyake 1998, Hallenbeck et al. 2009).
C6H12O6 (glukosa) + 2H2O → 2CH3COOH (asam asetat) + 2CO2 + 4H2
(5)
C6H12O6 (glukosa) + 2H2O → CH3COCH3 (aseton) + 3CO2 + 4H2
(6)
C6H12O6 (glukosa) → CH3CH2CH2COOH (asam butirat) + 2CO2 + 2H2
(7)
C6H12O6 (glukosa) → 2CH3CH2OH (etanol) + 2CO2
(8)
C6H12O6 (glukosa) → 2CH3CHOHCOOH (asam laktat)
(9)
Bakteri ungu sulfur dan bakteri ungu non sulfur (PNS) adalah bakteri
fotosintetik yang tidak menghasilkan oksigen pada proses fotosintesisnya, tetapi
menghasilkan hidrogen sebagai produk samping dengan bantuan cahaya. Produksi
hidrogen pada bakteri fotosintetik ini dikatalisis dengan adanya aktivitas enzim
nitrogenase dan hidrogenase. Meskipun enzim hidrogenase juga aktif untuk
memproduksi hidrogen, akan tetapi enzim ini juga berperan merombak kembali
hidrogen yang telah diproduksi (Miyamoto 1997, Koku et al. 2002). Bakteri
fotosintetik
diketahui
dapat
menghasilkan
gas
hidrogen
lebih
banyak
dibandingkan bakteri anaerob secara stoikiometri dengan menggunakan glukosa
sebagai substrat (Miyake 1998). Bakteri fotosintetik memiliki kemampuan tinggi
dalam mengkonversi substrat secara efisien dan dapat menggunakan bermacammacam susbtrat untuk produksi hidrogen (Akkerman et al. 2002, Koku et al.
2002, Das & Veziroglu 2008). Hal ini menjadikan bakteri fotosintetik lebih
efisien untuk memproduksi gas hidrogen.
Bakteri Fotosintetik
Bakteri ungu non belerang (purple non sulphur, PNS) adalah organisme
bakteri gram negatif. Selnya berbentuk bulat telur hingga bentuk batang serta ada
yang motil dan nonmotil. Mereka dapat tumbuh dengan beberapa mode
10
pertumbuhan metabolisme seperti pertumbuhan fotoheterotrof, fotoautotrof dan
pertumbuhan kemoheterotrof. Mode pertumbuhan dari bakteri ini dapat beralih
dari satu mode ke mode yang lain tergantung pada ketersediaan sumber karbon
(C) dan intensitas cahaya. Jika media mengandung CO2 sebagai sumber C, bakteri
ini akan tumbuh secara autotrof. Jika sumber C adalah asam organik, bakteri ini
akan tumbuh secara heterotrof. Ketersediaan sumber cahaya diperlukan untuk
mode pertumbuhan secara fototrof (Basak & Das 2007).
2 µm
Gambar 2
Foto bakteri R. marinum.
Bakteri PNS hanya memiliki fotosistem tunggal yang ada di dalam
membran intraseluler. Fotosistem ini tidak memiliki daya yang cukup untuk
memisahkan air. Karena kurangnya fotosistem II mereka dapat melakukan
fotosintesis anoksigenik. Pertumbuhan fotoheterotrof adalah mode yang disukai
untuk produksi hidrogen secara biologis. Mereka dapat hidup baik dalam kondisi
gelap ataupun terang. Pertumbuhan ini dapat terjadi pada kisaran pH 6-8,5 dan
suhu optimum untuk pertumbuhan antara 30 hingga 35°C (Hiraishi et al. 1995).
Istilah "non-sulfur" digunakan karena bakteri ini dianggap tidak menggunakan
hidrogen sulfida sebagai donor elektron saat tumbuh secara fotoautotrof. Namun,
tidak seperti bakteri sulfur bakteri ini dapat menggunakan sulfida sebagai donor
elektron tetapi tidak pada konsentrasi sulfida yang tinggi (Brock et al. 2003).
Bakteri PNS berwarna coklat kekuningan sampai kehijauan dan berwarna coklat
gelap ketika tumbuh dalam keadaan anaerobik namun berubah menjadi merah
11
dengan adanya oksigen (Basak & Das 2007). Rhodobium marinum adalah bakteri
gram negatif PNS dan termasuk bagian dari α Protobacteria. Taksonomi R.
marinum ditunjukkan sebagai berikut
dunia
:
Bacteria
filum
:
Proteobacteria
kelas
:
Alpha Proteobacteria
ordo
:
Rhizobiales
famili
:
Rhodobiaceae
genus
:
Rhodobium
species
:
Rhodobium marinum
Rhodobium marinum merupakan salah satu bakteri fotosintetik yang dapat
memproduksi hidrogen (Ike et al. 1999, Kawaguchi et al. 2002). Selnya berbentuk
batang, gram negatif, bergerak, memproduksi warna pink sampai merah dan dapat
melakukan reproduksi melalui kuncup (Gambar 2). Bakteri ini bersifat
fotoheterotrof fakultatif anaerob dan berhasil diisolasi oleh Hiraishi pada tahun
1995.
C2H4O2 (asam asetat) + 2H2O → 2CO2 + 4H2 (10)
C3H6O3 (asam laktat) + 3H2O → 3CO2 + 6H2 (11)
C4H6O5 (asam malat) + 3H2O → 4CO2 + 6H2 (12)
C6H12O6 (glukosa) + 6H2O → 6CO2 + 12H2 (13)
Pada proses produksi hidrogen secara fotofermentasi, bakteri PNS ini
menggunakan asam-asam organik rantai pendek sebagai donor elektron dan
bantuan cahaya matahari dalam pembentukan energi (ATP). Bakteri fotosintetik
ini juga dapat mendegradasi senyawa-senyawa organik melalui proses fermentasi
gelap lalu memanfaatkan ATP dan senyawa hasil fermentasi (metabolit) sebagai
energi dan donor elektron dalam proses produksi hidrogen (persamaan 10 – 12,
Gambar 3 dan 4). Proses biokimia yang terjadi pada bakteri PNS ini dikatalisasi
oleh enzim nitrogenase dan hidrogenase (Akkerman et al. 2002, Koku et al. 2002,
Basak & Das 2007).
12
Glukosa
Membran
Sitoplasma
Fruktosa
Jalur
Embden-Meyerhoff
Jalur
Entner-Daudoroff
Glukonat
Gelap + O2
Anaerobik + Cahaya
Gliserol
Piruvat
Siklus
Calvin
Laktat
Piruvat
Asetat
Asetil KoA
Butirat
Sitrat
Oksaloasetat
sitrat
Siklus
Krebs
Oksoglutarat
Suksinat
Gambar 3
Proses terjadinya glikolisis dan terbentuknya asam organik melalui
jalur Krebs (Koku et al. 2002).
13
Membran
luar
Energi cahaya
elektron
Membran
fotosintetik
Hidrogenase
Substrat
Siklus
Asam Sitrat
elektron
Biosintesis
dan produk
pertumbuhan
Gambar 4
Proses terbentuknya hidrogen (Koku et al. 2002).
Nitrogenase
Nitrogenase merupakan kompleks enzim yang bertanggung jawab pada
proses fiksasi nitrogen. Ketika molekul nitrogen tersedia, enzim nitrogenase
bertanggung jawab untuk mengubah nitrogen menjadi amonia. Berikut adalah
reaksi fiksasi dari nitrogen
N2 + +8 H+ + 8 e- + 16ATP → 2NH3 + H2 + + 16ADP + 16Pi
(14)
Kompleks nitrogenase terdiri dari dua komponen yaitu dinitrogenase reduktase
(protein Fe) dan dinitrogenase (protein MoFe). Subunit dari nitrogenase
dikodekan oleh operon nifHDK. Komponen reduktase dari nitrogenase memiliki
dua subunit yang dikodekan oleh gen nifH dan subunit dinitrogenase dikodekan
oleh nifD dan gen nifK. nifA adalah aktivator transkripsi dari operon nifHDK
(Henson et al. 2004, Kars et al. 2006, Zhu & Li 2010).
Pada kondisi anaerob dan tidak adanya nitrogen, enzim nitrogenase
cenderung mengkatalisis reaksi pembentukan hidrogen dengan persamaan reaksi
seperti berikut (Koku et al. 2002)
2H+ + 2e-→ H2 + 4ATP + + 4ADP + 4Pi
(15)
14
Enzim nitrogenase akan mereduksi proton H+ menjadi gas hidrogen dengan
bantuan energi dalam bentuk ATP dan elektron yang diperoleh dari feredoksin
yang teroksidasi, dapat dilihat pada Gambar 5. Reaksi tersebut berlangsung dalam
keadaan anaerob karena adanya oksigen dapat menurunkan aktivitas enzim
nitrogenase (Asada & Miyake 1999, Koku et al. 2002, Kapdan & Kargi 2006,
Hallenbeck et al. 2009). Dalam studi yang dilakukan Akkose et al. (2009)
diketahui bahwa hidrogen diproduksi di bawah kondisi anaerobik adalah 3 kali
lebih tinggi daripada dalam kondisi aerobik. Ketiadaan nitrogen juga membantu
nitrogenase mereduksi proton menjadi gas hidrogen. Apabila terdapat cukup
nitrogen, nitrogenase lebih cenderung untuk mereduksi nitrogen menjadi amonia
(Chen et al. 2006). Selain itu, dalam proses pembentukan gas hidrogen, kerja
enzim nitrogenase juga dapat dihambat dengan kadar amonia dan amonium
berlebih serta rasio perbandingan nitrogen dan karbon (N/C) yang tinggi (Koku et
al. 2002, Kapdan & Kargi 2006).
Rendah H+
membran
Tinggi H+
Asam organik
Gambar 5
Proses terbentuknya hidrogen di dalam sel (Akkerman et al. 2002).
15
Hidrogenase
Hidrogenase merupakan enzim yang mengkatalisis oksidasi reversibel dari
H2 menjadi proton seperti persamaan 16
H2 ↔ 2H + + 2e-
(16)
Beberapa mikroorganisme menggunakan enzim ini dengan tujuan yang berbedabeda. Banyak bakteri dan arkea dapat menggunakan hidrogen sebagai sumber
elektronnya karena bantuan hidrogenase. Beberapa bakteri fermentatif dan alga
hijau menggunakan hidrogenase dengan fungsi yang berlawanan, yaitu melepas
kelebihan kekuatan reduksi dengan mereduksi proton menjadi hidrogen dan
bakteri pemfiksasi nitrogen menggunakan hidrogenase untuk menangkap kembali
hidrogen yang telah diproduksi oleh nitrogenase (Miyake 1998, Hallenbeck et al.
2009).
Pada mikroorganisme tertentu seperti pada bakteri fotosintetik, kehadiran
enzim hidrogenase dapat mengurangi hasil keseluruhan produksi hidrogen karena
mengkonsumsi sebagian hidrogen yang telah diproduksi. Untuk mengatasi
masalah ini, enzim hidrogenase dapat dinonaktifkan atau dihapus. Kars et al.
(2008) mengembangkan strain mutan hup¯ Rb. sphaeroides OU001 untuk
meningkatkan kapasitas produksi hidrogen dari sel dengan tidak mengaktifkan
enzim hidrogenase akibat mutagenesis situs terarah. Hasil penelitian tersebut
menunjukkan bahwa hidrogen yang dihasilkan dengan strain mutan-hup adalah
20% lebih tinggi dibandingkan dengan galur liarnya.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Produksi Hidrogen
Selain penggunaan substrat, banyak penelitian dilakukan mengenai optimasi
hasil produksi terhadap media dan lingkungan dengan tujuan agar dapat
meningkatkan produksi hidrogen. Seperti yang dilakukan oleh Habibi et al. (2010)
yang menyatakan adanya pengaruh lingkungan yaitu nilai pH, intensitas cahaya,
suhu dan kecepatan penggoyangan terhadap produksi hidrogen melalui proses
fotofermentasi. Penelitian tersebut menyatakan bahwa pH 7 merupakan pH
optimum untuk produksi gas hidrogen. Adapun penelitian yang dilakukan oleh
Devi et al. (2010), yaitu dengan mengalirkan gas CO2 selama beberapa waktu
sebagai bahan tambahan ke dalam media produksi dan membuktikan bahwa ada
16
selang waktu optimum pemberian CO2 dalam produksi hidrogen. Penelitian ini
dilakukan dengan menggunakan konsorsium bakteri anaerob dan menggunakan
glukosa sebagai substrat. Selain itu, ada penelitian yang dilakukan oleh Liu et al.
(2009) yang menyatakan adanya pengaruh ion Fe2+ terhadap produksi hidrogen
melalui proses fotofermentasi menggunakan asetat sebagai substrat dan
Rhodopseudomonas faecalis RLD-53 sebagai mikroba penghasil hidrogen.
Faktor-faktor tersebut juga dapat mempengaruhi kerja enzim nitrogenase. Oleh
karena itu, dari informasi di atas, diketahui bahwa baik yang ada di dalam media
(internal) maupun di luar media (eksternal) dapat mempengaruhi tingkat produksi
hidrogen.
Pengaruh jumlah substrat terhadap produksi hidrogen
Produksi hidrogen secara optimal oleh bakteri fotosintetik, sangat menarik
secara ekonomi. Akan tetapi tetap harus mempertimbangkan beberapa parameter,
seperti efisiensi dan hasil produksi terhadap jumlah sumber karbon.
Antonopoulou et al. (2011) telah melakukan penelitian tentang pengaruh
konsentrasi substrat pada produksi hidrogen secara fermentasi dari ekstrak sorgum
manis di dalam tangki bioreaktor yang diaduk secara kontinu. Konsentrasi
karbohidrat yang diuji berkisar 9,89-20,99 g/l, setara glukosa. Produksi hidrogen
tertinggi diperoleh pada konsentrasi 17,50 g karbohidrat/l dan 2,93 l H2/l
reaktor/hari dan 0,74 mol H2/mol glukosa yang dikonsumsi, atau sekitar 8,81 l
H2/kg sorgum manis. Percobaan tersebut menunjukkan bahwa produksi gas
hidrogen tergantung pada konsentrasi karbohidrat awal.
Pengaruh Jumlah ion besi (Fe) dan molibdenum (Mo) terhadap produksi
hidrogen
Proses produksi hidrogen secara fo