Model Optimasi Fermentasi Curah Aseton - Butanol - etanol oleh Clostridium acetobutylicum Menggunakan Substrat Hidrolisat Tandan Kosong Kelapa Sawit
MODEL OPTlMASl FERMENTASI CUR AH ASETON-BUT AM 01-ETANOL
QLEH e b o s r r i d i u m a c e t c b u t y l i c u r n MEMGGUNAKAN SUBSTRAT
HIDROLlSAT TANDAN KOSQNG KELAPA SAWIT
Qleh
HER1 SAMTOSA
F 24.0976
1995
FARULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOB
BOGOR
HER1 SANTOSA. F24.0976. Model Optimasi Fer~nentasiCurali Aseton-ButanolEtanol oleh Clostridilrii~urelobui~licuinMenggunakan Substrat Hidrolisat Tatidall
Kosong Kelapa Sawit. Di bawall bimbingan Djumali Mangunwidjaja dan Pramono
D. Fewidarto.
RINGKASAN
Tandan kosong kelapasawit (TKKS) adalah lirnbah Iignoselulosik yang terdapat
dalam jumlali yang melimpah di Indonesia dan berpotensi sebagai bahan baku industri.
Salali satu pemanfaatan TKKS adalah dengan menghidrolsisnya sehingga diperoleh
liidrolisat yang kemudian digunakan sebagai substrat fermentasi untuk memproduksi
pelarut aseton, butanol dan etanol menggunakan mikroba Clostridium acetobutylicun~.
Dengan adanya beberapa keterbarasan produksi pelarut, antara lain mahalnya
biaya proses awal evaporasi hidrolisat dan pemurnian. maka perlu dipilili proses
fermentasi yang optimal sehingga diperoleli bahan pelarut maksimal
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan model matematik proses fermentasi
aseton-butanol-etanol (ABE). optimasi model tersebut. Fungsi tujuan optimasi tersebut
adalah memaksimumkan perolehan bahan pelaruc dan meminimumkan sisa substrat.
Optimasi fermentasi ABE ini didasarkan atas data hasil penelitian Setyawati.
(1994, Wibowo (1994), dan Siregar (1995).
Dari hasil pemodelan yang dikembangkan oleh Votruba et. al. (1986) dari
Voleskp dan Votruba (1992). diperoleh sebuah model umum proses fermentasi ABE.
Optimasi dilakultan dengan metoda nurnerik pencarian langsung (Direct Search
Methods) dan menggunakan program lshizaki er. al.. (1992) yang dimodifikasi.
Nilai parameter model mate~natik umuln fermentasi A B E yaitu
k, = 0.086 /jam, k 2 = 0.004 I/g.jam, k j = 0,033 I/g.jam, k, = -0,574 /jam.
k, = 0,004 l/g.jam, k, = 0,025 !jam, k, = 0,002 I/g.jam, k, = 0.242 /jam,
k, = 0,062 Ija~n,k,,, = 0,O 18 /jam, dan k , , = 0,007 /jam,
Nilai optimum hasil optimasi untuk bio~nassaadalah 1,508 gll, substrat
sisa 15,317 g/l, aseton 3.876 g/l, butanol 9.102 g/l, etanol 1,503 gll, asam
asetat 2,522 g/l, asam butirat 1,533 g/l dan total pelarut 14.481 gll, dengan
waktu proses 104 jam dan substrat awal 40,5 g/l.
MODEL OPTIMASI FERMENTASI CURAH ASETON-BUTANO1,-ETANOI,
MENGGUNAKAN SUBSTRAT
OLEH Clostridiurn ucetob~~tyficrirn
HIDROLISAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Oleh
HER1 SANTOSA
F 24.0976
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada Jurusan Teknologi Industri Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
1995
JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
-
-
--
-
MODEL OPTIMASI FERMENTASI CURAH ASETON-BUTANOL-ETANOL
OLEH Clostridium acetobutylicum MENGGUNAKAN SUBSTRAT
HIDROLISAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana
pada Jurusan TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
Fakultas Tekllologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh
HER1 SANTOSA
F 24.0976
Dietujui,
Dr. Ir. Diumali M., DEA
Dosen Pembhbing I
KATA PENCANTAR
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhanallahu ta'ala.
karena atas segala rahmat dan hidayah-Nyalah, sehingga penulis dapat
inenyelesaikan skripsi ini de~iganbaik. Shalawat dan salam senantiasa tercurah
kepada Nabi Besar Muhammad Shalallahu Alaihi Wassalam.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang tak
terhingga kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan skripsi
ini. Ucapan terima kasih yang tak terhingga penulis ucapkan kepada Dr. Ir.
Djumali M., DEA, selaku dosen pembimbing pertama yang telah memberikan
bimbingan dan saran-saran dalam penyusunan skripsi ini. Ucapa~iterima kasih
yang sebesar-besarnya juga penulis ucapkan kepada Ir. Pramono D.F.. MS..
selaku dosen pembimbing kedua atas segala bimbingan dan saran-saran yang
telah diberikan dalam penyusunan skripsi ini.
Terima kasih juga penulis
ucapkan kepada rekan-rekan LP3 Studia yang telah memberikan dorongan dan
fasilitas komputer untuk menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan
skripsi
ini masih belum
sempurna, oleh karena itu kritik yang membangun dari pembaca sangat penulis
hargai.
Bogor.
Dese~nber1995
Penulis
DAFTAR IS1
DAFTARISI
...
.................................
111
......................................
iv
...................................
vi
KATAPENGANTAR
DAFTARTABEL
................................
DAFTARGAMBAR
vii
...
................................
VIII
I . PENDAHULUAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i
..........................
1
..................................
2
...........................
3
DAFTAR LAMPIRAN
A.LATARBELAKANG
B.TUJUAN
11. TINJAUAN PUSTAKA
A . POTENSI DAN MANFAAT TANDAN KOSONG KELAPA
SAWIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
B . HIDROLISIS BAHAN LIGNNOSELULOSIK . . . . . . . . . . . .
6
C . FERMENTASI ASETON BUTANNOL ETANOL (ABE) . . . . .
7
1 . Mikroba yang Berperan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2 . Tahapan Proses d a l a ~ nFermentasi ABE . . . . . . . . . . . . . .
9
3. Sumber Karbon dan Ko~nposisiMedia
..............
10
.........................
12
...........................
13
....................
14
D . KEGUNAAN ASETON. BUTANOL DAN ETANOL . . . . . . .
16
4 . Pengaruh pH Media
5 . Pengaruh Agitasi
6. Pengaruh Butanol dan Asam
v
E . MODEL MATEMATIK DAN OPTIMASI FERMEN'TASI
1.
Kinetika Proses
...
16
...........................
16
2 . Identifikasi Model Matelnatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.
19
Penerapan Model Matematik dala~nSilnulasi
dan Optimasi Proses . . . . . . . . . . . . . .
4 . Teknik Optimasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
a . Metoda Logika. Teknik Pencarian Lanzsung
(Direct Search Method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
5 . Model Matematik Proses Fermentasi ABE . . . . . . . . . . .
24
................................
27
Ill . METODOLOGI
IV . HASIL DAN PEMBAHASAN
.......................
30
A . PEMBENTUKAN MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
1.
Penentuan Parameter Model
...................
34
2 . Pembentukan Model Umum
...................
46
B . OPTIMASI MODEL MATEMATIK FERMENTASI ABE
....
49
.......................
54
..............................
54
V . KESIMPULAN DAN SARAN
A . KESIMPULAN
DAFTARPUSTAKA
.................................
56
DAFTAR TABEL
Tabel I . Produksi dan perkiraan minyak kelapa sawit dan ininyak inti kelapa
sawit. luas lahan serta jumlah TKKS th. 1979 - 1998 . . . . . . . . .
Tabel 2. Nilai parameter dan kepekaan model matematik fer~nentas~
ABE
.
.
4
37
Tabel 3. Hasil penentuan parameter model umum serta analisis kepekaan
absolut (APS) dan relatif (RPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
Tabel 4. Nilai konsentrasi optimum masing-masing hasil fermentasi
beserta nilai konsentrasi awalnya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
Tabel 5 . Hasil otpimasi fermentasi ABE dibandingkan dengan data hasil
penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
Gambar 1. Grafik produksi dan perkiraan cninyak kelapa sawit dan
~ninyakinti kelapa sawit, luas lalian dan junilah TKKS . . . . . .
5
Garnbar 2. Jalur reaksi bioki~niawikonversi gula menjadi pelarut organik
oleh Clostridium acetobutylicunz (Votruba et al.. 1986) . . . . . .
8
Gambar 3. Pengaruh penghambatan metabolisme gula oleh butanol secara
.. . .... .. . .. ....
intraseluler (Yerushalrni et al.. 1986)
15
Gambar 4. Bagan alir pembentukan model optimasi fermentasi ABE . . . . . .
28
Gambar 5. Diagram alir program optimasi fermentasi aseton butanol etanol .
29
Gambar 6. Data (sandi) dan pelnodelan fermentasi ABE menggunakan data
Siregar (1995) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
Gambar 7. Data (sandi) dan pemodelan ferme~itasiABE menggunakan data
Wibowo (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
Gambar 8. Data (sandi) dan pemodelan fermentasi ABE menggunakan data
Setyawati (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Gambar 9. Data (sandi) dan pemodelan (garis) fermentasi ABE dari hidrolisat
TKKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
Gambar 10. Sirnulasi optirnasi fermentasi ABE dari hidrolisat TKKS . . . . .
51
MODEL OPTlMASl FERMENTASI CUR AH ASETON-BUT AM 01-ETANOL
QLEH e b o s r r i d i u m a c e t c b u t y l i c u r n MEMGGUNAKAN SUBSTRAT
HIDROLlSAT TANDAN KOSQNG KELAPA SAWIT
Qleh
HER1 SAMTOSA
F 24.0976
1995
FARULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOB
BOGOR
HER1 SANTOSA. F24.0976. Model Optimasi Fer~nentasiCurali Aseton-ButanolEtanol oleh Clostridilrii~urelobui~licuinMenggunakan Substrat Hidrolisat Tatidall
Kosong Kelapa Sawit. Di bawall bimbingan Djumali Mangunwidjaja dan Pramono
D. Fewidarto.
RINGKASAN
Tandan kosong kelapasawit (TKKS) adalah lirnbah Iignoselulosik yang terdapat
dalam jumlali yang melimpah di Indonesia dan berpotensi sebagai bahan baku industri.
Salali satu pemanfaatan TKKS adalah dengan menghidrolsisnya sehingga diperoleh
liidrolisat yang kemudian digunakan sebagai substrat fermentasi untuk memproduksi
pelarut aseton, butanol dan etanol menggunakan mikroba Clostridium acetobutylicun~.
Dengan adanya beberapa keterbarasan produksi pelarut, antara lain mahalnya
biaya proses awal evaporasi hidrolisat dan pemurnian. maka perlu dipilili proses
fermentasi yang optimal sehingga diperoleli bahan pelarut maksimal
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan model matematik proses fermentasi
aseton-butanol-etanol (ABE). optimasi model tersebut. Fungsi tujuan optimasi tersebut
adalah memaksimumkan perolehan bahan pelaruc dan meminimumkan sisa substrat.
Optimasi fermentasi ABE ini didasarkan atas data hasil penelitian Setyawati.
(1994, Wibowo (1994), dan Siregar (1995).
Dari hasil pemodelan yang dikembangkan oleh Votruba et. al. (1986) dari
Voleskp dan Votruba (1992). diperoleh sebuah model umum proses fermentasi ABE.
Optimasi dilakultan dengan metoda nurnerik pencarian langsung (Direct Search
Methods) dan menggunakan program lshizaki er. al.. (1992) yang dimodifikasi.
Nilai parameter model mate~natik umuln fermentasi A B E yaitu
k, = 0.086 /jam, k 2 = 0.004 I/g.jam, k j = 0,033 I/g.jam, k, = -0,574 /jam.
k, = 0,004 l/g.jam, k, = 0,025 !jam, k, = 0,002 I/g.jam, k, = 0.242 /jam,
k, = 0,062 Ija~n,k,,, = 0,O 18 /jam, dan k , , = 0,007 /jam,
Nilai optimum hasil optimasi untuk bio~nassaadalah 1,508 gll, substrat
sisa 15,317 g/l, aseton 3.876 g/l, butanol 9.102 g/l, etanol 1,503 gll, asam
asetat 2,522 g/l, asam butirat 1,533 g/l dan total pelarut 14.481 gll, dengan
waktu proses 104 jam dan substrat awal 40,5 g/l.
MODEL OPTIMASI FERMENTASI CURAH ASETON-BUTANO1,-ETANOI,
MENGGUNAKAN SUBSTRAT
OLEH Clostridiurn ucetob~~tyficrirn
HIDROLISAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Oleh
HER1 SANTOSA
F 24.0976
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada Jurusan Teknologi Industri Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
1995
JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
-
-
--
-
MODEL OPTIMASI FERMENTASI CURAH ASETON-BUTANOL-ETANOL
OLEH Clostridium acetobutylicum MENGGUNAKAN SUBSTRAT
HIDROLISAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana
pada Jurusan TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
Fakultas Tekllologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh
HER1 SANTOSA
F 24.0976
Dietujui,
Dr. Ir. Diumali M., DEA
Dosen Pembhbing I
KATA PENCANTAR
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhanallahu ta'ala.
karena atas segala rahmat dan hidayah-Nyalah, sehingga penulis dapat
inenyelesaikan skripsi ini de~iganbaik. Shalawat dan salam senantiasa tercurah
kepada Nabi Besar Muhammad Shalallahu Alaihi Wassalam.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang tak
terhingga kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan skripsi
ini. Ucapan terima kasih yang tak terhingga penulis ucapkan kepada Dr. Ir.
Djumali M., DEA, selaku dosen pembimbing pertama yang telah memberikan
bimbingan dan saran-saran dalam penyusunan skripsi ini. Ucapa~iterima kasih
yang sebesar-besarnya juga penulis ucapkan kepada Ir. Pramono D.F.. MS..
selaku dosen pembimbing kedua atas segala bimbingan dan saran-saran yang
telah diberikan dalam penyusunan skripsi ini.
Terima kasih juga penulis
ucapkan kepada rekan-rekan LP3 Studia yang telah memberikan dorongan dan
fasilitas komputer untuk menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan
skripsi
ini masih belum
sempurna, oleh karena itu kritik yang membangun dari pembaca sangat penulis
hargai.
Bogor.
Dese~nber1995
Penulis
DAFTAR IS1
DAFTARISI
...
.................................
111
......................................
iv
...................................
vi
KATAPENGANTAR
DAFTARTABEL
................................
DAFTARGAMBAR
vii
...
................................
VIII
I . PENDAHULUAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i
..........................
1
..................................
2
...........................
3
DAFTAR LAMPIRAN
A.LATARBELAKANG
B.TUJUAN
11. TINJAUAN PUSTAKA
A . POTENSI DAN MANFAAT TANDAN KOSONG KELAPA
SAWIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
B . HIDROLISIS BAHAN LIGNNOSELULOSIK . . . . . . . . . . . .
6
C . FERMENTASI ASETON BUTANNOL ETANOL (ABE) . . . . .
7
1 . Mikroba yang Berperan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2 . Tahapan Proses d a l a ~ nFermentasi ABE . . . . . . . . . . . . . .
9
3. Sumber Karbon dan Ko~nposisiMedia
..............
10
.........................
12
...........................
13
....................
14
D . KEGUNAAN ASETON. BUTANOL DAN ETANOL . . . . . . .
16
4 . Pengaruh pH Media
5 . Pengaruh Agitasi
6. Pengaruh Butanol dan Asam
v
E . MODEL MATEMATIK DAN OPTIMASI FERMEN'TASI
1.
Kinetika Proses
...
16
...........................
16
2 . Identifikasi Model Matelnatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.
19
Penerapan Model Matematik dala~nSilnulasi
dan Optimasi Proses . . . . . . . . . . . . . .
4 . Teknik Optimasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
a . Metoda Logika. Teknik Pencarian Lanzsung
(Direct Search Method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
5 . Model Matematik Proses Fermentasi ABE . . . . . . . . . . .
24
................................
27
Ill . METODOLOGI
IV . HASIL DAN PEMBAHASAN
.......................
30
A . PEMBENTUKAN MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
1.
Penentuan Parameter Model
...................
34
2 . Pembentukan Model Umum
...................
46
B . OPTIMASI MODEL MATEMATIK FERMENTASI ABE
....
49
.......................
54
..............................
54
V . KESIMPULAN DAN SARAN
A . KESIMPULAN
DAFTARPUSTAKA
.................................
56
DAFTAR TABEL
Tabel I . Produksi dan perkiraan minyak kelapa sawit dan ininyak inti kelapa
sawit. luas lahan serta jumlah TKKS th. 1979 - 1998 . . . . . . . . .
Tabel 2. Nilai parameter dan kepekaan model matematik fer~nentas~
ABE
.
.
4
37
Tabel 3. Hasil penentuan parameter model umum serta analisis kepekaan
absolut (APS) dan relatif (RPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
Tabel 4. Nilai konsentrasi optimum masing-masing hasil fermentasi
beserta nilai konsentrasi awalnya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
Tabel 5 . Hasil otpimasi fermentasi ABE dibandingkan dengan data hasil
penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
Gambar 1. Grafik produksi dan perkiraan cninyak kelapa sawit dan
~ninyakinti kelapa sawit, luas lalian dan junilah TKKS . . . . . .
5
Garnbar 2. Jalur reaksi bioki~niawikonversi gula menjadi pelarut organik
oleh Clostridium acetobutylicunz (Votruba et al.. 1986) . . . . . .
8
Gambar 3. Pengaruh penghambatan metabolisme gula oleh butanol secara
.. . .... .. . .. ....
intraseluler (Yerushalrni et al.. 1986)
15
Gambar 4. Bagan alir pembentukan model optimasi fermentasi ABE . . . . . .
28
Gambar 5. Diagram alir program optimasi fermentasi aseton butanol etanol .
29
Gambar 6. Data (sandi) dan pelnodelan fermentasi ABE menggunakan data
Siregar (1995) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
Gambar 7. Data (sandi) dan pemodelan ferme~itasiABE menggunakan data
Wibowo (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
Gambar 8. Data (sandi) dan pemodelan fermentasi ABE menggunakan data
Setyawati (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Gambar 9. Data (sandi) dan pemodelan (garis) fermentasi ABE dari hidrolisat
TKKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
Gambar 10. Sirnulasi optirnasi fermentasi ABE dari hidrolisat TKKS . . . . .
51
QLEH e b o s r r i d i u m a c e t c b u t y l i c u r n MEMGGUNAKAN SUBSTRAT
HIDROLlSAT TANDAN KOSQNG KELAPA SAWIT
Qleh
HER1 SAMTOSA
F 24.0976
1995
FARULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOB
BOGOR
HER1 SANTOSA. F24.0976. Model Optimasi Fer~nentasiCurali Aseton-ButanolEtanol oleh Clostridilrii~urelobui~licuinMenggunakan Substrat Hidrolisat Tatidall
Kosong Kelapa Sawit. Di bawall bimbingan Djumali Mangunwidjaja dan Pramono
D. Fewidarto.
RINGKASAN
Tandan kosong kelapasawit (TKKS) adalah lirnbah Iignoselulosik yang terdapat
dalam jumlali yang melimpah di Indonesia dan berpotensi sebagai bahan baku industri.
Salali satu pemanfaatan TKKS adalah dengan menghidrolsisnya sehingga diperoleh
liidrolisat yang kemudian digunakan sebagai substrat fermentasi untuk memproduksi
pelarut aseton, butanol dan etanol menggunakan mikroba Clostridium acetobutylicun~.
Dengan adanya beberapa keterbarasan produksi pelarut, antara lain mahalnya
biaya proses awal evaporasi hidrolisat dan pemurnian. maka perlu dipilili proses
fermentasi yang optimal sehingga diperoleli bahan pelarut maksimal
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan model matematik proses fermentasi
aseton-butanol-etanol (ABE). optimasi model tersebut. Fungsi tujuan optimasi tersebut
adalah memaksimumkan perolehan bahan pelaruc dan meminimumkan sisa substrat.
Optimasi fermentasi ABE ini didasarkan atas data hasil penelitian Setyawati.
(1994, Wibowo (1994), dan Siregar (1995).
Dari hasil pemodelan yang dikembangkan oleh Votruba et. al. (1986) dari
Voleskp dan Votruba (1992). diperoleh sebuah model umum proses fermentasi ABE.
Optimasi dilakultan dengan metoda nurnerik pencarian langsung (Direct Search
Methods) dan menggunakan program lshizaki er. al.. (1992) yang dimodifikasi.
Nilai parameter model mate~natik umuln fermentasi A B E yaitu
k, = 0.086 /jam, k 2 = 0.004 I/g.jam, k j = 0,033 I/g.jam, k, = -0,574 /jam.
k, = 0,004 l/g.jam, k, = 0,025 !jam, k, = 0,002 I/g.jam, k, = 0.242 /jam,
k, = 0,062 Ija~n,k,,, = 0,O 18 /jam, dan k , , = 0,007 /jam,
Nilai optimum hasil optimasi untuk bio~nassaadalah 1,508 gll, substrat
sisa 15,317 g/l, aseton 3.876 g/l, butanol 9.102 g/l, etanol 1,503 gll, asam
asetat 2,522 g/l, asam butirat 1,533 g/l dan total pelarut 14.481 gll, dengan
waktu proses 104 jam dan substrat awal 40,5 g/l.
MODEL OPTIMASI FERMENTASI CURAH ASETON-BUTANO1,-ETANOI,
MENGGUNAKAN SUBSTRAT
OLEH Clostridiurn ucetob~~tyficrirn
HIDROLISAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Oleh
HER1 SANTOSA
F 24.0976
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada Jurusan Teknologi Industri Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
1995
JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
-
-
--
-
MODEL OPTIMASI FERMENTASI CURAH ASETON-BUTANOL-ETANOL
OLEH Clostridium acetobutylicum MENGGUNAKAN SUBSTRAT
HIDROLISAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana
pada Jurusan TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
Fakultas Tekllologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh
HER1 SANTOSA
F 24.0976
Dietujui,
Dr. Ir. Diumali M., DEA
Dosen Pembhbing I
KATA PENCANTAR
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhanallahu ta'ala.
karena atas segala rahmat dan hidayah-Nyalah, sehingga penulis dapat
inenyelesaikan skripsi ini de~iganbaik. Shalawat dan salam senantiasa tercurah
kepada Nabi Besar Muhammad Shalallahu Alaihi Wassalam.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang tak
terhingga kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan skripsi
ini. Ucapan terima kasih yang tak terhingga penulis ucapkan kepada Dr. Ir.
Djumali M., DEA, selaku dosen pembimbing pertama yang telah memberikan
bimbingan dan saran-saran dalam penyusunan skripsi ini. Ucapa~iterima kasih
yang sebesar-besarnya juga penulis ucapkan kepada Ir. Pramono D.F.. MS..
selaku dosen pembimbing kedua atas segala bimbingan dan saran-saran yang
telah diberikan dalam penyusunan skripsi ini.
Terima kasih juga penulis
ucapkan kepada rekan-rekan LP3 Studia yang telah memberikan dorongan dan
fasilitas komputer untuk menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan
skripsi
ini masih belum
sempurna, oleh karena itu kritik yang membangun dari pembaca sangat penulis
hargai.
Bogor.
Dese~nber1995
Penulis
DAFTAR IS1
DAFTARISI
...
.................................
111
......................................
iv
...................................
vi
KATAPENGANTAR
DAFTARTABEL
................................
DAFTARGAMBAR
vii
...
................................
VIII
I . PENDAHULUAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i
..........................
1
..................................
2
...........................
3
DAFTAR LAMPIRAN
A.LATARBELAKANG
B.TUJUAN
11. TINJAUAN PUSTAKA
A . POTENSI DAN MANFAAT TANDAN KOSONG KELAPA
SAWIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
B . HIDROLISIS BAHAN LIGNNOSELULOSIK . . . . . . . . . . . .
6
C . FERMENTASI ASETON BUTANNOL ETANOL (ABE) . . . . .
7
1 . Mikroba yang Berperan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2 . Tahapan Proses d a l a ~ nFermentasi ABE . . . . . . . . . . . . . .
9
3. Sumber Karbon dan Ko~nposisiMedia
..............
10
.........................
12
...........................
13
....................
14
D . KEGUNAAN ASETON. BUTANOL DAN ETANOL . . . . . . .
16
4 . Pengaruh pH Media
5 . Pengaruh Agitasi
6. Pengaruh Butanol dan Asam
v
E . MODEL MATEMATIK DAN OPTIMASI FERMEN'TASI
1.
Kinetika Proses
...
16
...........................
16
2 . Identifikasi Model Matelnatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.
19
Penerapan Model Matematik dala~nSilnulasi
dan Optimasi Proses . . . . . . . . . . . . . .
4 . Teknik Optimasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
a . Metoda Logika. Teknik Pencarian Lanzsung
(Direct Search Method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
5 . Model Matematik Proses Fermentasi ABE . . . . . . . . . . .
24
................................
27
Ill . METODOLOGI
IV . HASIL DAN PEMBAHASAN
.......................
30
A . PEMBENTUKAN MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
1.
Penentuan Parameter Model
...................
34
2 . Pembentukan Model Umum
...................
46
B . OPTIMASI MODEL MATEMATIK FERMENTASI ABE
....
49
.......................
54
..............................
54
V . KESIMPULAN DAN SARAN
A . KESIMPULAN
DAFTARPUSTAKA
.................................
56
DAFTAR TABEL
Tabel I . Produksi dan perkiraan minyak kelapa sawit dan ininyak inti kelapa
sawit. luas lahan serta jumlah TKKS th. 1979 - 1998 . . . . . . . . .
Tabel 2. Nilai parameter dan kepekaan model matematik fer~nentas~
ABE
.
.
4
37
Tabel 3. Hasil penentuan parameter model umum serta analisis kepekaan
absolut (APS) dan relatif (RPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
Tabel 4. Nilai konsentrasi optimum masing-masing hasil fermentasi
beserta nilai konsentrasi awalnya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
Tabel 5 . Hasil otpimasi fermentasi ABE dibandingkan dengan data hasil
penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
Gambar 1. Grafik produksi dan perkiraan cninyak kelapa sawit dan
~ninyakinti kelapa sawit, luas lalian dan junilah TKKS . . . . . .
5
Garnbar 2. Jalur reaksi bioki~niawikonversi gula menjadi pelarut organik
oleh Clostridium acetobutylicunz (Votruba et al.. 1986) . . . . . .
8
Gambar 3. Pengaruh penghambatan metabolisme gula oleh butanol secara
.. . .... .. . .. ....
intraseluler (Yerushalrni et al.. 1986)
15
Gambar 4. Bagan alir pembentukan model optimasi fermentasi ABE . . . . . .
28
Gambar 5. Diagram alir program optimasi fermentasi aseton butanol etanol .
29
Gambar 6. Data (sandi) dan pelnodelan fermentasi ABE menggunakan data
Siregar (1995) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
Gambar 7. Data (sandi) dan pemodelan ferme~itasiABE menggunakan data
Wibowo (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
Gambar 8. Data (sandi) dan pemodelan fermentasi ABE menggunakan data
Setyawati (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Gambar 9. Data (sandi) dan pemodelan (garis) fermentasi ABE dari hidrolisat
TKKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
Gambar 10. Sirnulasi optirnasi fermentasi ABE dari hidrolisat TKKS . . . . .
51
MODEL OPTlMASl FERMENTASI CUR AH ASETON-BUT AM 01-ETANOL
QLEH e b o s r r i d i u m a c e t c b u t y l i c u r n MEMGGUNAKAN SUBSTRAT
HIDROLlSAT TANDAN KOSQNG KELAPA SAWIT
Qleh
HER1 SAMTOSA
F 24.0976
1995
FARULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOB
BOGOR
HER1 SANTOSA. F24.0976. Model Optimasi Fer~nentasiCurali Aseton-ButanolEtanol oleh Clostridilrii~urelobui~licuinMenggunakan Substrat Hidrolisat Tatidall
Kosong Kelapa Sawit. Di bawall bimbingan Djumali Mangunwidjaja dan Pramono
D. Fewidarto.
RINGKASAN
Tandan kosong kelapasawit (TKKS) adalah lirnbah Iignoselulosik yang terdapat
dalam jumlali yang melimpah di Indonesia dan berpotensi sebagai bahan baku industri.
Salali satu pemanfaatan TKKS adalah dengan menghidrolsisnya sehingga diperoleh
liidrolisat yang kemudian digunakan sebagai substrat fermentasi untuk memproduksi
pelarut aseton, butanol dan etanol menggunakan mikroba Clostridium acetobutylicun~.
Dengan adanya beberapa keterbarasan produksi pelarut, antara lain mahalnya
biaya proses awal evaporasi hidrolisat dan pemurnian. maka perlu dipilili proses
fermentasi yang optimal sehingga diperoleli bahan pelarut maksimal
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan model matematik proses fermentasi
aseton-butanol-etanol (ABE). optimasi model tersebut. Fungsi tujuan optimasi tersebut
adalah memaksimumkan perolehan bahan pelaruc dan meminimumkan sisa substrat.
Optimasi fermentasi ABE ini didasarkan atas data hasil penelitian Setyawati.
(1994, Wibowo (1994), dan Siregar (1995).
Dari hasil pemodelan yang dikembangkan oleh Votruba et. al. (1986) dari
Voleskp dan Votruba (1992). diperoleh sebuah model umum proses fermentasi ABE.
Optimasi dilakultan dengan metoda nurnerik pencarian langsung (Direct Search
Methods) dan menggunakan program lshizaki er. al.. (1992) yang dimodifikasi.
Nilai parameter model mate~natik umuln fermentasi A B E yaitu
k, = 0.086 /jam, k 2 = 0.004 I/g.jam, k j = 0,033 I/g.jam, k, = -0,574 /jam.
k, = 0,004 l/g.jam, k, = 0,025 !jam, k, = 0,002 I/g.jam, k, = 0.242 /jam,
k, = 0,062 Ija~n,k,,, = 0,O 18 /jam, dan k , , = 0,007 /jam,
Nilai optimum hasil optimasi untuk bio~nassaadalah 1,508 gll, substrat
sisa 15,317 g/l, aseton 3.876 g/l, butanol 9.102 g/l, etanol 1,503 gll, asam
asetat 2,522 g/l, asam butirat 1,533 g/l dan total pelarut 14.481 gll, dengan
waktu proses 104 jam dan substrat awal 40,5 g/l.
MODEL OPTIMASI FERMENTASI CURAH ASETON-BUTANO1,-ETANOI,
MENGGUNAKAN SUBSTRAT
OLEH Clostridiurn ucetob~~tyficrirn
HIDROLISAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Oleh
HER1 SANTOSA
F 24.0976
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada Jurusan Teknologi Industri Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
1995
JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
-
-
--
-
MODEL OPTIMASI FERMENTASI CURAH ASETON-BUTANOL-ETANOL
OLEH Clostridium acetobutylicum MENGGUNAKAN SUBSTRAT
HIDROLISAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana
pada Jurusan TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
Fakultas Tekllologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh
HER1 SANTOSA
F 24.0976
Dietujui,
Dr. Ir. Diumali M., DEA
Dosen Pembhbing I
KATA PENCANTAR
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhanallahu ta'ala.
karena atas segala rahmat dan hidayah-Nyalah, sehingga penulis dapat
inenyelesaikan skripsi ini de~iganbaik. Shalawat dan salam senantiasa tercurah
kepada Nabi Besar Muhammad Shalallahu Alaihi Wassalam.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang tak
terhingga kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan skripsi
ini. Ucapan terima kasih yang tak terhingga penulis ucapkan kepada Dr. Ir.
Djumali M., DEA, selaku dosen pembimbing pertama yang telah memberikan
bimbingan dan saran-saran dalam penyusunan skripsi ini. Ucapa~iterima kasih
yang sebesar-besarnya juga penulis ucapkan kepada Ir. Pramono D.F.. MS..
selaku dosen pembimbing kedua atas segala bimbingan dan saran-saran yang
telah diberikan dalam penyusunan skripsi ini.
Terima kasih juga penulis
ucapkan kepada rekan-rekan LP3 Studia yang telah memberikan dorongan dan
fasilitas komputer untuk menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan
skripsi
ini masih belum
sempurna, oleh karena itu kritik yang membangun dari pembaca sangat penulis
hargai.
Bogor.
Dese~nber1995
Penulis
DAFTAR IS1
DAFTARISI
...
.................................
111
......................................
iv
...................................
vi
KATAPENGANTAR
DAFTARTABEL
................................
DAFTARGAMBAR
vii
...
................................
VIII
I . PENDAHULUAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i
..........................
1
..................................
2
...........................
3
DAFTAR LAMPIRAN
A.LATARBELAKANG
B.TUJUAN
11. TINJAUAN PUSTAKA
A . POTENSI DAN MANFAAT TANDAN KOSONG KELAPA
SAWIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
B . HIDROLISIS BAHAN LIGNNOSELULOSIK . . . . . . . . . . . .
6
C . FERMENTASI ASETON BUTANNOL ETANOL (ABE) . . . . .
7
1 . Mikroba yang Berperan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2 . Tahapan Proses d a l a ~ nFermentasi ABE . . . . . . . . . . . . . .
9
3. Sumber Karbon dan Ko~nposisiMedia
..............
10
.........................
12
...........................
13
....................
14
D . KEGUNAAN ASETON. BUTANOL DAN ETANOL . . . . . . .
16
4 . Pengaruh pH Media
5 . Pengaruh Agitasi
6. Pengaruh Butanol dan Asam
v
E . MODEL MATEMATIK DAN OPTIMASI FERMEN'TASI
1.
Kinetika Proses
...
16
...........................
16
2 . Identifikasi Model Matelnatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.
19
Penerapan Model Matematik dala~nSilnulasi
dan Optimasi Proses . . . . . . . . . . . . . .
4 . Teknik Optimasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
a . Metoda Logika. Teknik Pencarian Lanzsung
(Direct Search Method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
5 . Model Matematik Proses Fermentasi ABE . . . . . . . . . . .
24
................................
27
Ill . METODOLOGI
IV . HASIL DAN PEMBAHASAN
.......................
30
A . PEMBENTUKAN MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
1.
Penentuan Parameter Model
...................
34
2 . Pembentukan Model Umum
...................
46
B . OPTIMASI MODEL MATEMATIK FERMENTASI ABE
....
49
.......................
54
..............................
54
V . KESIMPULAN DAN SARAN
A . KESIMPULAN
DAFTARPUSTAKA
.................................
56
DAFTAR TABEL
Tabel I . Produksi dan perkiraan minyak kelapa sawit dan ininyak inti kelapa
sawit. luas lahan serta jumlah TKKS th. 1979 - 1998 . . . . . . . . .
Tabel 2. Nilai parameter dan kepekaan model matematik fer~nentas~
ABE
.
.
4
37
Tabel 3. Hasil penentuan parameter model umum serta analisis kepekaan
absolut (APS) dan relatif (RPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
Tabel 4. Nilai konsentrasi optimum masing-masing hasil fermentasi
beserta nilai konsentrasi awalnya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
Tabel 5 . Hasil otpimasi fermentasi ABE dibandingkan dengan data hasil
penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
Gambar 1. Grafik produksi dan perkiraan cninyak kelapa sawit dan
~ninyakinti kelapa sawit, luas lalian dan junilah TKKS . . . . . .
5
Garnbar 2. Jalur reaksi bioki~niawikonversi gula menjadi pelarut organik
oleh Clostridium acetobutylicunz (Votruba et al.. 1986) . . . . . .
8
Gambar 3. Pengaruh penghambatan metabolisme gula oleh butanol secara
.. . .... .. . .. ....
intraseluler (Yerushalrni et al.. 1986)
15
Gambar 4. Bagan alir pembentukan model optimasi fermentasi ABE . . . . . .
28
Gambar 5. Diagram alir program optimasi fermentasi aseton butanol etanol .
29
Gambar 6. Data (sandi) dan pelnodelan fermentasi ABE menggunakan data
Siregar (1995) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
Gambar 7. Data (sandi) dan pemodelan ferme~itasiABE menggunakan data
Wibowo (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
Gambar 8. Data (sandi) dan pemodelan fermentasi ABE menggunakan data
Setyawati (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Gambar 9. Data (sandi) dan pemodelan (garis) fermentasi ABE dari hidrolisat
TKKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
Gambar 10. Sirnulasi optirnasi fermentasi ABE dari hidrolisat TKKS . . . . .
51