Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor
KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO
DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT
MENGGUNAKAN BIOREAKTOR
VENTY INDRIANI PAIRUNAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS
DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Karakteristik Fermentasi Pulp
Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Biorekator adalah karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi manapun. 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, Januari 2009
Venty Indriani Pairunan
NIM F051060041
ABSTRACT
VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Characteristic of Cocoa Pulp Fermentation in
Acetic Acid Production using Bioreaktor. Under direction of USMAN AHMAD,
and TRESNAWATI PURWADARIA
Acetic acid is produced from two stages of fermentation. At the first stage,
in the anaerob condition sugars from the mixture of cocoa pulp and sucrose at
18% brix, was fermented with Saccharomyces cerevisiae producing ethanol. The
next stage was by oxidation in aerobic process, where ethanol was transformed to
acetic acid by Acetobacter aceti. The purpose of this research is to characterize
the kinetic changes of acetic acid production from cocoa pulp through alcohol
fermentation using batch and fed-batch fermentation added without and with
cellulase (0 and 13.8 U/l medium fermentation). Result showed that the highest
ethanol production was observed in 96 hours at 9.38% (w/v) µmax 0.01, Y x/s 0.31,
Y p/s 0.53 by using fed-batch fermentation. Meanwhile the highest acetic acid
production was observed at 7.84% (w/v) µmax 0.01, Y x/s 0.30, Y p/s 0.77 by
using fed-batch fermentation.
Key words: Cocoa pulp, ethanol, acetic acid, batch / fed-batch, and cellulase.
RINGKASAN
VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam
Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor. Dibimbing oleh USMAN
AHMAD, dan TRESNAWATI PURWADARIA.
Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan salah satu komoditi ekspor nonmigas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam negeri
terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang
memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Salah satu kelemahan kakao
Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang terlalu tinggi sehingga
menghasilkan biji kakao yang kurang baik. Pengurangan jumlah pulp sebelum biji
kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman biji kakao. Pulp
kakao mengandung glukosa dan sukrosa antara 12-15%, asam-asam organik,
beberapa asam amino dan selulosa. Komposisi demikian cukup baik digunakan
dalam proses fermentasi untuk menghasilkan asam asetat.
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik fermentasi pulp
kakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol
menggunakan bioreaktor. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk
mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol
menggunakan kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim
selulase dalam bioreaktor.
Rancangan acak lengkap faktorial digunakan dalam penelitian ini apabila
terdapat perbedaan antar perlakuan dilanjutkan dengan uji Duncan Multiple
Range Test (DMRT). Medium fermentasi 1000 ml (pulp kakao diencerkan 3x
dengan medium Mandels ditambahkan sukrosa hingga kadar gula total substrat
18% Brix) dan inokulum Saccharomyces cerevisiae sebanyak 10% (v/v). Pada
fermentasi alkohol masing-masing perlakuan terdiri dari batch tanpa enzim
selulase; batch dengan penambahan selulase 13.8 U/l medium fermentasi; fedbatch tanpa enzim selulase, fed-batch dengan penambahan enzim selulase 13.8
U/l medium fermentasi. Selanjutnya etanol yang dihasilkan dari fermentasi
alkohol dalam bioreaktor dilanjutkan dengan fermentasi asam asetat dengan
menambahkan inokulum Acetobacter aceti sebanyak 10% (v/v).
Hasil penelitian mengungkapkan bahwa S. cerevisiae dapat digunakan
untuk fermentasi alkohol karena pulp kakao mengandung kadar gula reduksi
sebesar 9.53% (b/v) dengan total padatan terlarut sebesar 18% brix, sedangkan
A. aceti BTCC-618 dapat digunakan untuk fermentasi asam asetat.
Kultur fed-batch dalam fermentasi alkohol pada medium pulp kakao
merupakan perlakuan terbaik dimana etanol yang dihasilkan sebesar 9.38% (b/v)
dengan µmax 0.01, Y p/s 0.53 dan Y x/s 0.31, sedangkan etanol yang dihasilkan
pada kultur batch sebesar 8.23% (b/v) dengan µmax 0.03, Y p/s 0.57 dan
Y x/s 0.65.
Produksi asam asetat yang dihasilkan dari substrat etanol hasil fermentasi
alkohol pada medium pulp kakao secara kultur fed-batch merupakan perlakuan
terbaik sebesar 7.84% (b/v) dengan µmax 0.01, Y p/s 0.77 dan Y x/s 0.30.
Kombinasi penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l medium
fermentasi) pada kultur batch (jam ke-0) dan fed-batch (jam ke-48) dalam
medium pulp kakao tidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap kadar etanol
dan produksi asam asetat, demikian halnya dengan Y p/s dan Y x/s.
Kata kunci: Pulp kakao, etanol, asam asetat, batch / fed-batch, dan selulase.
© Hak cipta milik IPB, tahun 2009
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; dan pengutipan tersebut tidak merugikan
kepentingan yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO
DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT
MENGGUNAKAN BIOREAKTOR
VENTY INDRIANI PAIRUNAN
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Teknologi Pascapanen
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.)
Judul Tesis
:
Nama
NIM
:
:
Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi
Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor
Venty Indriani Pairunan
F051060041
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
Ketua
Dr. Tresnawati Purwadaria
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi
Teknologi Pascapanen
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr.
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.
Tanggal ujian : 16 Januari 2009
Tanggal lulus : 29 Januari 2009
PRAKATA
Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala limpahan kasih-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan karya ilmiah yang berjudul
Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan
Bioreaktor.
Penghargaan yang tulus diberikan kepada Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
dan Dr. Tresnawati Purwadaria sebagai ketua dan anggota komisi pembimbing
atas segala arahan, saran, masukan, dan bantuannya dalam penulisan karya
ilmiah.
Disamping
itu,
penghargaan
juga
penulis
sampaikan
kepada
Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.) selaku penguji luar komisi.
Penulis bersyukur dan berterimakasih telah diberikan bantuan dalam
melaksanakan penelitian oleh Prof. Dr. Ir. Hadi K. Purwadaria, M.Sc. dan
Dr. Ir. Sofyan Iskandar, M.Si selaku Kepala Balai Penelitian Ternak Ciawi Bogor
beserta staf. Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada staf Laboratorium
Bioindustri, Teknologi Industri Pertanian, IPB yang tidak dapat penulis sebutkan
satu per satu yang telah bersedia memberikan bantuan dan fasilitas selama
penelitian.
Doa dan kasih sayang yang senantiasa mengalir dari kedua orang tua tercinta
dr. Ishak Pairunan, SpA. dan Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. beserta kakak
dan adik-adik Fredy Revanio Pairunan, SE., Edward Ronaldo Pairunan, dan
Lorenzo Pairunan untuk canda-tawa dan kasihnya yang selalu ada terimakasih.
Sahabat-sahabat di program studi Teknologi Pascapanen angkatan 2006
Ibu Ros, Ibu Nona, Kak Deva, Etha, Darmayanti (Almh.) dan angkatan 2007 serta
2008 semangat kebersamaan membuat kita menjadi saudara dalam menyelesaikan
studi.
Doa senantiasa penulis panjaatkan kepada Tuhan Yesus Kristus agar kasih
dan berkat serta damai sejahtera melimpah untuk kita semua AMIN.
Bogor, Januari 2009
Venty Indriani Pairunan
KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO
DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT
MENGGUNAKAN BIOREAKTOR
VENTY INDRIANI PAIRUNAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS
DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Karakteristik Fermentasi Pulp
Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Biorekator adalah karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi manapun. 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, Januari 2009
Venty Indriani Pairunan
NIM F051060041
ABSTRACT
VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Characteristic of Cocoa Pulp Fermentation in
Acetic Acid Production using Bioreaktor. Under direction of USMAN AHMAD,
and TRESNAWATI PURWADARIA
Acetic acid is produced from two stages of fermentation. At the first stage,
in the anaerob condition sugars from the mixture of cocoa pulp and sucrose at
18% brix, was fermented with Saccharomyces cerevisiae producing ethanol. The
next stage was by oxidation in aerobic process, where ethanol was transformed to
acetic acid by Acetobacter aceti. The purpose of this research is to characterize
the kinetic changes of acetic acid production from cocoa pulp through alcohol
fermentation using batch and fed-batch fermentation added without and with
cellulase (0 and 13.8 U/l medium fermentation). Result showed that the highest
ethanol production was observed in 96 hours at 9.38% (w/v) µmax 0.01, Y x/s 0.31,
Y p/s 0.53 by using fed-batch fermentation. Meanwhile the highest acetic acid
production was observed at 7.84% (w/v) µmax 0.01, Y x/s 0.30, Y p/s 0.77 by
using fed-batch fermentation.
Key words: Cocoa pulp, ethanol, acetic acid, batch / fed-batch, and cellulase.
RINGKASAN
VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam
Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor. Dibimbing oleh USMAN
AHMAD, dan TRESNAWATI PURWADARIA.
Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan salah satu komoditi ekspor nonmigas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam negeri
terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang
memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Salah satu kelemahan kakao
Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang terlalu tinggi sehingga
menghasilkan biji kakao yang kurang baik. Pengurangan jumlah pulp sebelum biji
kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman biji kakao. Pulp
kakao mengandung glukosa dan sukrosa antara 12-15%, asam-asam organik,
beberapa asam amino dan selulosa. Komposisi demikian cukup baik digunakan
dalam proses fermentasi untuk menghasilkan asam asetat.
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik fermentasi pulp
kakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol
menggunakan bioreaktor. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk
mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol
menggunakan kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim
selulase dalam bioreaktor.
Rancangan acak lengkap faktorial digunakan dalam penelitian ini apabila
terdapat perbedaan antar perlakuan dilanjutkan dengan uji Duncan Multiple
Range Test (DMRT). Medium fermentasi 1000 ml (pulp kakao diencerkan 3x
dengan medium Mandels ditambahkan sukrosa hingga kadar gula total substrat
18% Brix) dan inokulum Saccharomyces cerevisiae sebanyak 10% (v/v). Pada
fermentasi alkohol masing-masing perlakuan terdiri dari batch tanpa enzim
selulase; batch dengan penambahan selulase 13.8 U/l medium fermentasi; fedbatch tanpa enzim selulase, fed-batch dengan penambahan enzim selulase 13.8
U/l medium fermentasi. Selanjutnya etanol yang dihasilkan dari fermentasi
alkohol dalam bioreaktor dilanjutkan dengan fermentasi asam asetat dengan
menambahkan inokulum Acetobacter aceti sebanyak 10% (v/v).
Hasil penelitian mengungkapkan bahwa S. cerevisiae dapat digunakan
untuk fermentasi alkohol karena pulp kakao mengandung kadar gula reduksi
sebesar 9.53% (b/v) dengan total padatan terlarut sebesar 18% brix, sedangkan
A. aceti BTCC-618 dapat digunakan untuk fermentasi asam asetat.
Kultur fed-batch dalam fermentasi alkohol pada medium pulp kakao
merupakan perlakuan terbaik dimana etanol yang dihasilkan sebesar 9.38% (b/v)
dengan µmax 0.01, Y p/s 0.53 dan Y x/s 0.31, sedangkan etanol yang dihasilkan
pada kultur batch sebesar 8.23% (b/v) dengan µmax 0.03, Y p/s 0.57 dan
Y x/s 0.65.
Produksi asam asetat yang dihasilkan dari substrat etanol hasil fermentasi
alkohol pada medium pulp kakao secara kultur fed-batch merupakan perlakuan
terbaik sebesar 7.84% (b/v) dengan µmax 0.01, Y p/s 0.77 dan Y x/s 0.30.
Kombinasi penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l medium
fermentasi) pada kultur batch (jam ke-0) dan fed-batch (jam ke-48) dalam
medium pulp kakao tidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap kadar etanol
dan produksi asam asetat, demikian halnya dengan Y p/s dan Y x/s.
Kata kunci: Pulp kakao, etanol, asam asetat, batch / fed-batch, dan selulase.
© Hak cipta milik IPB, tahun 2009
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; dan pengutipan tersebut tidak merugikan
kepentingan yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO
DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT
MENGGUNAKAN BIOREAKTOR
VENTY INDRIANI PAIRUNAN
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Teknologi Pascapanen
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.)
Judul Tesis
:
Nama
NIM
:
:
Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi
Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor
Venty Indriani Pairunan
F051060041
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
Ketua
Dr. Tresnawati Purwadaria
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi
Teknologi Pascapanen
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr.
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.
Tanggal ujian : 16 Januari 2009
Tanggal lulus : 29 Januari 2009
PRAKATA
Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala limpahan kasih-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan karya ilmiah yang berjudul
Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan
Bioreaktor.
Penghargaan yang tulus diberikan kepada Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
dan Dr. Tresnawati Purwadaria sebagai ketua dan anggota komisi pembimbing
atas segala arahan, saran, masukan, dan bantuannya dalam penulisan karya
ilmiah.
Disamping
itu,
penghargaan
juga
penulis
sampaikan
kepada
Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.) selaku penguji luar komisi.
Penulis bersyukur dan berterimakasih telah diberikan bantuan dalam
melaksanakan penelitian oleh Prof. Dr. Ir. Hadi K. Purwadaria, M.Sc. dan
Dr. Ir. Sofyan Iskandar, M.Si selaku Kepala Balai Penelitian Ternak Ciawi Bogor
beserta staf. Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada staf Laboratorium
Bioindustri, Teknologi Industri Pertanian, IPB yang tidak dapat penulis sebutkan
satu per satu yang telah bersedia memberikan bantuan dan fasilitas selama
penelitian.
Doa dan kasih sayang yang senantiasa mengalir dari kedua orang tua tercinta
dr. Ishak Pairunan, SpA. dan Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. beserta kakak
dan adik-adik Fredy Revanio Pairunan, SE., Edward Ronaldo Pairunan, dan
Lorenzo Pairunan untuk canda-tawa dan kasihnya yang selalu ada terimakasih.
Sahabat-sahabat di program studi Teknologi Pascapanen angkatan 2006
Ibu Ros, Ibu Nona, Kak Deva, Etha, Darmayanti (Almh.) dan angkatan 2007 serta
2008 semangat kebersamaan membuat kita menjadi saudara dalam menyelesaikan
studi.
Doa senantiasa penulis panjaatkan kepada Tuhan Yesus Kristus agar kasih
dan berkat serta damai sejahtera melimpah untuk kita semua AMIN.
Bogor, Januari 2009
Venty Indriani Pairunan
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Ujung Pandang pada tanggal 6 September 1981 dari
ayah dr. Ishak Pairunan, SpA. dan ibu Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. penulis
merupakan putri kedua dari empat bersaudara.
Tahun 2000 penulis tamat dari Sekolah Menengah Umum Gamaliel
Makassar dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk Universitas Hasanuddin
melalui jalur Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri. Penulis memilih program
studi Agronomi, Fakultas Pertanian dan Kehutanan dan lulus pada tahun 2005.
Tahun 2006 penulis berkesempatan melanjutkan studi magister sains program
studi Teknologi Pascapanen pada Sekolah Pascasarjana IPB Bogor.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ......................................................................................
xi
DAFTAR GAMBAR .................................................................................
xii
DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................
xiv
PENDAHULUAN
Latar Belakang ...................................................................................
Tujuan Penelitian ...............................................................................
1
3
TINJAUAN PUSTAKA
Pulp Kakao ..........................................................................................
Fermentasi Alkohol ............................................................................
Fermentasi Asam Asetat ....................................................................
Enzim Selulase ....................................................................................
Bioreaktor ..........................................................................................
Tipe Fermentor ...................................................................................
Sistem Operasi Bioreaktor .................................................................
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi dalam
Bioreaktor ..........................................................................................
Kinetika Fermentasi ...........................................................................
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat .............................................................................
Bahan dan Alat ...................................................................................
Metode Penelitian ..............................................................................
Pelaksanaan Penelitian .......................................................................
Parameter yang Diamati .....................................................................
Rancangan Percobaan ..........................................................................
4
5
6
8
10
11
12
14
15
17
17
18
19
23
23
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penentuan Galur S. cerevisiae untuk Produksi Etanol ......................
Penentuan Aerasi Kultur Batch dan Fed-Batch ..............................
Peningkatan Optimasi Kadar Gula pada Substrat ............................
Fermentasi Alkohol Kultur Batch ......................................................
Fermentasi Alkohol Kultur Fed-batch ...............................................
Kinetika Fermentasi Alkohol .............................................................
Produksi Asam Asetat dari Substrat Etanol Hasil
Fermentasi Alkohol dengan Perlakuan Batch dan
Penambahan Enzim Selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi) ..
Produksi Asam Asetat dari Substrat Etanol Hasil
Fermentasi Alkohol dengan Perlakuan Fed-batch dan
Penambahan Enzim Selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi) ..
Kinetika Fermentasi Asam Asetat .....................................................
44
47
KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................
49
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................
50
LAMPIRAN ...............................................................................................
55
25
26
28
30
35
40
42
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Komposisi pulp kakao Ivorian, Nigerian dan Malaysian ....................
4
2. Sakarifikasi dan fermentasi simultan selebiosa menjadi etanol
menggunakan berbagai katalis ..............................................................
10
3. Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada
medium Mandels pada tiga kadar gula total dengan kultur
fed-batch (anaerob) ...............................................................................
30
4. Perhitungan kinetika fermentasi alkohol ...............................................
40
5. Perhitungan kinetika fermentasi asam asetat yang dilanjutkan dari
perlakuan fermentasi alkohol ................................................................
47
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Tahapan hidrolisis selulosa oleh enzim dan sistem sakarifikasi
dan fermentasi sinambung selulosa menjadi etanol ..............................
9
2 Penampang fermentor untuk fermentasi skala laboratorium ................
10
3. Penampang bioreaktor berkapasitas 2 liter ...........................................
18
4. Diagram alir tahapan penelitian produksi asam asetat dari pulp kakao ..
22
5. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium pulp
kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur
S. cerevisiae ..........................................................................................
25
6. Penurunan gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium pulp
kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur
S. cerevisiae ..........................................................................................
26
7. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium
Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch, fed-batch ..........
27
8. Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada
medium Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch dan
fed-batch ..............................................................................................
28
9. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium
Mandels dengan kadar gula total 6, 12, dan 18% pada kultur
fed-batch (anaerob) ...............................................................................
29
10. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol
pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase
dengan menggunakan sistem batch ......................................................
30
11. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol
pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase
serta menggunakan sistem batch ..........................................................
31
12. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut
selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa
penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem batch .........
33
13. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut
selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan
penambahan enzim selulase dan menggunakan sistem batch ...............
33
14. Perubahan nilai pH medium fermentasi alkohol menggunakan sistem
batch dengan dan tanpa penambahan enzim selulase ...........................
34
15. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol
pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase
dengan menggunakan sistem fed-batch ................................................
35
16. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol
pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase
serta menggunakan sistem fed-batch ....................................................
36
17. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut
selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa
penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem fed-batch ...
38
18. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut
selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan
penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem fed-batch ...
38
19. Perubahan nilai pH medium fermentasi alkohol menggunakan sistem
fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim selulase .....................
39
20. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan
perubahan berat kering (dry weight) selama fermentasi asam asetat
pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch
tanpa penambahan enzim selulase ........................................................
43
21. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat
pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch
dengan penambahan enzim selulase .....................................................
43
22. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat
pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara
fed-batch tanpa penambahan enzim selulase ........................................
45
23. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat
pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara fed-batch
dengan penambahan enzim selulase .....................................................
24. Perubahan nilai pH fermentasi asam asetat pada medium pulp
kakao melalui fermentasi alkohol secara batch dan fed-batch dengan
penambahan enzim selulase ..................................................................
45
46
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Komposisi media Mandels ....................................................................
56
2. Nilai absorbansi dan volume inokulum yang ditambahkan ..................
57
3. Prosedur analisis parameter fermentasi ..................................................
58
4. Data awal fermentasi alkohol menggunakan kultur batch dengan
penambahan selulase ...............................................................................
60
5. Data awal fermentasi alkohol menggunakan kultur fed-batch dengan
penambahan selulase .............................................................................
61
6. Analisis sakarifikasi enzim selulase terhadap pulp kakao ....................
62
7. Analisa statistik keragaman fermentasi alkohol......................................
63
8. Data awal fermentasi asam asetat menggunakan substrat
etanol hasil fermentasi alkohol dengan perlakuan kultur
(batch dan fed-batch) dan penambahan selulase ...................................
67
9. Analisis statistik keragaman fermentasi asam asetat ............................
68
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan salah satu komoditi ekspor
non-migas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam
negeri terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang
memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Kakao juga memiliki peranan
penting sebagai sumber penghasil devisa negara dan sebagai salah satu sumber
perekonomian rakyat yang sangat potensial. Buah kakao disamping digunakan
sebagai bahan minuman penyegar non-alkohol, juga dapat berfungsi sebagai
bahan baku industri pangan dan industri farmasi.
Produksi kakao Indonesia pada tahun 2000 sebesar 431 142 ton, tahun
2001 sebesar 536 804 ton sedangkan pada tahun 2006 terjadi peningkatan
produksi kakao sebesar 779 474 ton. Peningkatan produksi kakao telah
memberikan hasil nyata bagi peningkatan pangsa pasar kakao Indonesia di kancah
perkakaoan dunia. Indonesia berhasil menempatkan diri sebagai produsen kakao
terbesar kedua dunia setelah Pantai Gading (Cote d'Ivoire) pada tahun 2002
(Direktorat Jenderal Bina Produksi Perkebunan 2006).
Salah satu kelemahan kakao Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang
terlalu tinggi. Biji kakao yang masam mengakibatkan citarasa coklat yang lemah
sehingga kurang disukai oleh konsumen (Suryatmi 1995). Kondisi asam yang
berlebihan dapat menghambat proses fermentasi biji kakao. Pengurangan jumlah
pulp sebelum biji kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman
biji kakao. Pengurangan jumlah pulp kakao dapat dilakukan dengan menggunakan
alat pengurang pulp mekanik (depulper). Pengurangan pulp dengan cara ini
menghasilkan limbah pulp kakao yang berupa bubur pulp kakao. Jika dikelola
dengan baik, lendir biji kakao merupakan hasil samping industri pengolahan
kakao yang cukup menarik. Menurut Adamoko (1984), produksi lendir biji kakao
mencapai 0.10-0.19 l/kg biji basah. Pulp kakao mengandung glukosa dan sukrosa
antara 12-15%, asam-asam organik dan beberapa asam amino (Effendi 2002 dan
Opeke 1984). Komposisi demikian cukup baik digunakan dalam proses fermentasi
untuk menghasilkan asam asetat.
Pettipher (1986), menyatakan kandungan selulosa dalam pulp kakao
sebesar 4.73% berat kering (freeze dried), diharapkan dengan penambahan enzim
selulase akan lebih banyak selulosa yang terpecah menjadi molekul glukosa,
sehingga jumlah molekul glukosa yang lebih banyak dapat meningkatkan kadar
etanol sebagai substrat untuk produksi asam asetat yang tinggi.
Saat ini pemanfaatan pulp kakao belum optimal. Pemanfaatan pulp kakao
yang selama ini hanya sebagai limbah organik ke lingkungan juga dapat
dimanfaatkan sebagai substrat produksi alkohol dan asam asetat sehingga perlu
dilakukan dan perlu dicari teknologi pengolahan limbah kakao yang dapat
menangani limbah dalam jumlah yang besar.
Fermentasi adalah salah satu bagian dari bioteknologi yang menggunakan
mikroorganisme sebagai pemeran utama dalam suatu proses. Fermentasi secara
teknik dapat didefinisikan sebagai suatu proses oksidasi aerob atau partikel
anaerob dari karbohidrat dan menghasilkan alkohol serta beberapa asam. Hasil
fermentasi diperoleh sebagai akibat metabolisme mikroba pada suatu bahan
pangan dalam keadaan anaerob ataupun dalam keadaan aerob. Hasil penguraian
adalah energi, CO2, air dan sejumlah asam organik lainnya seperti etanol, asam
asetat, dan asam laktat.
Dalam
fermentasi
alkohol,
khamir
yang
digunakan
adalah
Saccharomyces cerevisiae dimana hasil utamanya adalah etanol. S. cerevisiae
merupakan salah satu jenis khamir yang cukup banyak digunakan sebagai
inokolum dalam berbagai proses industri antara lain produksi roti, tape, minuman
beralkohol dan industri etanol. S. cerevisiae juga digunakan untuk menghasilkan
produk-produk seperti biomassa, ekstrak khamir, komponen flavor.
Asam asetat merupakan salah satu produksi industri yang banyak
dibutuhkan di Indonesia. Asam asetat dapat dibuat dari substrat yang mengandung
alkohol, yang diperoleh dari berbagai macam bahan seperti buah-buahan, kulit
nanas, pulp kopi, air kelapa dan pulp kakao.
S. cerevisiae dan Acetobacter aceti merupakan jenis khamir dan bakteri
yang telah digunakan untuk produksi alkohol dan asam asetat secara komersial.
Kultivasi fed-batch dapat diterapkan untuk meningkatkan produksi alkohol dan
asam asetat, serta dapat mengurangi pengaruh inhibisi substrat. Teknik kultivasi
fed-batch yang berfokus pada pengumpanan sumber karbon yang murah dan
pembatasan nutrisi esensial lainnya seperti oksigen, nitrogen, fosfat dan
magnesium diharapkan dapat meningkatkan produksi alkohol dan asam asetat.
Tujuan Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah mempelajari karakteristik
fermentasi pulp kakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil
fermentasi alkohol menggunakan bioreaktor.
Sedangkan tujuan khusus penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Menentukan galur biakan, pengaturan aerasi dan kadar gula total substrat
untuk produksi etanol.
b. Mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi
alkohol dengan metode kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa
penambahan enzim selulase dalam bioreaktor.
TINJAUAN PUSTAKA
Pulp Kakao
Kakao lindak paling banyak dibudidayakan di seluruh negara produsen
kakao dunia termasuk Indonesia, dan didominasi oleh perkebunan rakyat. Kakao
lindak Indonesia ditandai dengan ciri pulp yang tebal, keasaman biji keringnya
tinggi. Pulp yang tebal dapat berasal dari buah yang kurang masak atau biji kecil
(Suryatmi 1995). Hasil analisis komposisi dari pulp kakao dari Ivorian, Nigerian
dan Malaysia dapat dilihat pada Tabel 1 (Pettipher 1986).
Tabel 1. Komposisi pulp kakao Ivorian, Nigerian dan Malaysian (Pettipher 1986)
Komposisi
Ivorian
Nigerian
Malaysian
(g/100g berat segar pulpa)
Etanol
Sukrosa
Glukosa
Fruktosa
0
4.35
3.00
3.80
0.10
1.92
5.06
6.07
0.20
1.35
4.90
5.35
Dalam freeze dried (g/kg berat kering)
Selulosa
Hemiselulosa
Pektin
Lignin
51.80
28.50
66.10
15.00
Tidak ditentukan
Tidak ditentukan
59.1
Tidak ditentukan
47.30
15.80
37.50
5.00
Sekitar 15-25% larutan gula dapat diubah selama fermentasi. Berbagai
jenis bahan seperti pati kentang, sirup glukosa, sukrosa, sirup gula tebu, molases
tebu dan molases bit dapat digunakan sebagai karbohidrat. Tetapi pada umumnya
hanya gula yang dapat dengan cepat dimanfaatkan sebagai sumber karbon dalam
fermentasi. Atmawinata et al. (1998) menyatakan bahwa pulp diketahui
mempunyai kandungan glukosa antara 10-15% dan air 80-85%. Effendi (2002)
menyatakan bahwa, limbah cair pulp kakao dengan kadar gula 12-15% potensial
untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku berbagai produk proses kimia industri
melalui pendekatan bioteknologi.
Komposisi media merupakan faktor yang penting bagi pertumbuhan
mikroorganisme. Menurut Purawisastra et al. (1994) komponen media yang
diperlukan adalah unsur karbon, nitrogen dan mineral. Pengaruh konsentrasi
sukrosa awal yang berbeda pada fermentasi gula pasir dan nira tebu terhadap
etanol yang dihasilkan disebabkan karena konsentrasi glukosa pada awal
fermentasi untuk kedua medium adalah berbeda. Nira tebu mengandung glukosa
lebih besar dari gula pasir karena nira tebu merupakan bahan alami, sehingga
molekul glukosanya tidak hanya secara alami sudah mengandung glukosa, tetapi
juga berasal dari molekul sukrosa yang terhidrolisis.
Fermentasi Alkohol
Etanol adalah nama kimia dari alkohol, rumus kimianya adalah C2H5OH.
Penggunaannya sangat luas antara lain dalam industri kimia, kosmetik, industri
minuman, sebagai bahan pelarut dan bahan bakar. Etanol dapat dibuat dari bahan
hasil pertanian, seperti bahan yang mengandung turunan gula (molase gula tebu,
sari buah), bahan yang mengandung pati, atau bahan yang mengandung selulosa
kayu, limbah kayu, onggok, pulp kakao (Hartono 1991).
Gula sederhana seperti glukosa dapat langsung difermentasi menjadi
etanol. Bahan yang mengandung senyawa yang lebih kompleks seperti pati atau
selulosa harus dihidrolisis menjadi senyawa yang lebih sederhana sebelum
difermentasi menjadi etanol. Hidrolisis dapat dilakukan secara kimiawi atau
menggunakan enzim. Purawisastra et al. (1994) menjelaskan bahwa medium gula
pasir dengan penambahan enzim invertase dapat meningkatkan konsentrasi etanol
yang dihasilkan.
Susijahadi et al. (1998) lebih lanjut menjelaskan bahwa konsentrasi
gula awal substrat berpengaruh terhadap jumlah alkohol yang dihasilkan.
Wardani et al. (1991) menjelaskan bahwa, secara teoritis kadar alkohol
maksimum yang dapat diperoleh dari 180 g/l gula adalah 12.26% v/v.
S. cerevisiae adalah galur yang memproduksi etanol dalam jumah tinggi
sehingga sering digunakan dalam produksi etanol, anggur, minuman keras, dan
enzim invertase. Purawisastra et al. (1994) menyimpulkan bahwa enzim invertase
disamping berperan pada hidrolisis molekul sukrosa menjadi fruktosa dan
glukosa. Juga dapat membantu proses konversi glukosa menjadi etanol. Dengan
demikian, etanol yang dihasilkan dipengaruhi oleh konsentrasi awal molekul
sukrosa dan glukosa sebelum fermentasi berlangsung.
Baik khamir maupun bakteri dapat digunakan untuk memproduksi etanol.
Khamir S. cerevisiae var ellipsoids mampu menghasilkan etanol dalam jumlah
tinggi 16-18% pada media yang sesuai. Damanhuri (2004) menyimpulkan bahwa,
substrat larutan madu rambutan afkir dengan kadar gula total 20% menghasilkan
16.10% etanol. Effendi (2002) berpendapat bahwa, fermentasi substrat limbah
cair pulp kakao dengan kadar gula 12.63% baik tanpa maupun dengan
penambahan urea dan S. cerevisiae R60 dengan konsentrasi inokulum 10% (v/v),
suhu 30 οC, waktu fermentasi 48 jam dihasilkan kadar etanol rata-rata 5.30%.
Untuk menghasilkan kadar etanol sebesar 5% sampai 6% diperlukan waktu
fermentasi antara 48 sampai 50 jam.
Pada kondisi aerob atau konsentrasi glukosa tinggi S. cerevisiae tumbuh
dengan baik, namun etanol yang dihasilkan rendah dibandingkan secara anaerob.
Pada kondisi anaerob, pertumbuhan lambat dan piruvat dari jalur katabolik
dipecah oleh enzim piruvat dikarbosilase menjadi asetaldehid dan karbon
dioksida. Pada umumnya produksi etanol meliputi tiga tahap dimana tiap tahap
harus dioptimasi, fermentasi dan destilasi (Hartoto 1991).
Fermentasi Asam Asetat
Asam asetat merupakan hasil dua tahap proses fermentasi dimana tahap
pertama adalah fermentasi gula menjadi etanol oleh khamir, sedangkan tahap
kedua adalah oksidasi etanol menjadi asam asetat oleh bakteri asam asetat.
Asam asetat (vinegar) adalah senyawa yang cukup penting dalam pengolahan
bahan pangan baik sebagai bumbu maupun bahan pengawet (Luwihana 1998).
Menurut Wardani et al. (1991) bahwa vinegar adalah larutan encer asam asetat
yang dihasilkan melalui dua tahap fermentasi larutan gula menjadi etanol dan
dilanjutkan dengan proses oksidasi etanol menjadi asam asetat.
Fermentasi asam asetat membutuhkan medium yang mengandung etanol
10-13%, umumnya medium tersebut diperoleh dari hasil fermentasi alkohol, yaitu
fermentasi pengubahan gula menjadi etanol. Bila konsentrasi etanol terlalu tinggi,
pembentukan asam asetat akan terganggu, sehingga fermentasi etanol menjadi
asam asetat tidak berlangsung dengan sempurna, selain itu keasaman medium
perlu diperhatikan (Darwis dan Sukara 1989). Damanhuri (2004) menjelaskan
fermentasi asam asetat dengan substrat etanol 16.10% menghasilkan 0.11% asam
asetat dengan lama fermentasi selama 5 minggu.
Pada proses pembuatan cuka fermentasi, mula-mula dilakukan tahap
fermentasi alkohol dimana gula yang ada diubah menjadi etanol menggunakan
khamir S. cerevisiae dalam kondisi anaerobik, selanjutnya dalam tahap fermentasi
asetat, etanol akan diubah menjadi asam asetat, galur yang paling umum
digunakan ialah A. aceti, dalam kondisi aerob (Chandra et al. 1990).
Effendi (2002), menyimpulkan bahwa pada fermentasi etanol hasil
fermentasi limbah cair pulp kakao oleh A. aceti B127 dengan kondisi suhu 30 οC,
nilai pH awal 4, konsentrasi etanol 5% (v/v), inokulum 10% (v/v), dengan
kecepatan pengadukan terbaik 400 rpm dengan hasil asam asetat 4.24%. Ebner
(1983) dan Standardisasi Nasional (1990) menjelaskan cuka yang baik minimal
harus mengandung 4% asam asetat.
Produksi asam asetat dapat ditingkatkan dengan cara pemberian aerasi dan
agitasi serta pengaturan suhu fermentasi pada suhu optimum pertumbuhan bakteri
asam asetat. Produksi asam sangat bergantung pada tingkat kesuburan
pertumbuhan sel bakteri dan tingkat kesuburan tersebut menurun seiring dengan
peningkatan kadar etanol substrat (Soedarini et al. 1998).
Pudjiraharti et al. (1998) menyimpulkan bahwa pembuatan asam cuka dari
sari buah jambu mete telah dilakukan dalam fermentor Biostat B skala 2 liter.
Fermentasi berlangsung pada suhu 35 οC, pH awal 4, aerasi 1 vvm dan berbagai
kecepatan agitasi 500, 600 dan 700 rpm selama 6 hari. Kadar total asam
maksimum dicapai pada hari ke-tiga fermentasi pada semua kecepatan agitasi.
Fermentasi dengan kecepatan agitasi 600 rpm menunjukkan total asam tertinggi
4.01% (b/v) ekivalen dengan 3.90% (b/v) asam asetat dengan efisiensi
pengubahan dari etanol menjadi asam asetat 58.64%. Dari hasil analisis
kandungan etanol, pada hari ke-tiga fermentasi kadar etanol sisa dalam media
mendekati nol pada semua kecepatan agitasi.
Nurika et al. (2001) menyimpulkan bahwa, nilai rata-rata jumlah asam
asetat yang terbentuk dari media air kelapa secara fermentasi kontinyu dengan
penambahan 10% (v/v) A. aceti FNCC 0016 (IFO 3283) berkisar antara 0.44
sampai dengan 1.12 g/hari yang diperoleh dari perlakuan tinggi partikel dalam
kolom bio-oksidasi 34 cm dengan kecepatan aerasi 0.08 vvm.
Enzim Selulase
Irawadi (1999) menyatakan bahwa, enzim yang berperan dalam proses
hidrolisis limbah lignoselulosa terdiri dari tiga kelompok, yaitu kelompok
selulase, ligninase dan hemiselulase. Masing-masing kelompok terdiri atas tiga
jenis enzim. Selulase terdiri dari endoglukanase (CHC-ase), eksoglukanase
(selobio-hidrolase)
dan
β-glukosidase.
Ligninase
terdiri
dari
laccase,
lignin-peroksidase dan Mn-peroksidase. Hemiselulase (xilanase) terdiri dari
endoxilanase, eksoxilanase dan β-xilosidase. Sudaryati et al. (1993) menyatakan
bahwa, selulase adalah nama trival bagi semua enzim yang memutuskan ikatan
glikosidik β-1.4 di dalam selulosa, sedodekstrin, selobiosa.
Selulase sesungguhnya adalah enzim yang kompleks sehingga dapat
mendegradasi selulosa membentuk monosakaridanya yaitu glukosa. Aktivitas
enzim selulase dinyatakan dalam satuan unit per mililiter filtrat enzim (U/ml).
Satu unit aktivitas enzim setara dengan satu mikromol glukosa yang dihasilkan
dari perlakuan enzim terhadap larutan karboksimetil selulosa 1% setara 1 unit
(Wirakartakusumah et al. 1987). Menurut Irawadi (1999) bahwa, semakin tinggi
aktivitas enzim maka semakin tinggi pula gula pereduksi yang dihasilkan.
Purwadaria et al. (2004) menyatakan bahwa, produksi enzim selulase
dengan Penicillium nalgiovense S11 pada media pollard gandum dapat
ditingkatkan dengan perlakuan awal pada substrat. Perlakuan NaOH
dengan
peningkatan konsentrasi substrat dari 2 menjadi 4% dengan waktu inkubasi
optimum 5 hari meningkatkan produksi enzim selulase (CMCase, FPase,
β-glucosidase). Penambahan 250 ppm glukosa juga meningkatkan aktivitas
spesifik dari CMCase, FPase, β-glucosidase.
Menurut Ghani et al. (1990) bahwa, enzim selulotik terbentuk dari
beberapa mikroorganisme termasuk fungi, actinomycetes dan bakteri, ada 40
spesies fungi, 12 spesies bakteri dan 4 spesies dari actinomycetes yang dapat
memproduksi selulase. Beberapa keuntungan dalam penggunaan bakteri :
1) Spesies bakteri mempunyai waktu potensial lebih besar dalam manipulasi
genetik.
2) Bakteri memiliki waktu pendek untuk produksi enzim
Selulosa yang tersedia berlimpah sangat potensial dipakai sebagai bahan
baku untuk produksi etanol. Proses hidrolisis enzimatis secara bertahap dari
selulosa menjadi glukosa dipengaruhi oleh faktor penghambat yang sangat
menentukan didalam biokonversi selulosa menjadi etanol. Faktor penyebab
utamanya ialah adanya penghambatan produk (terutama selobiosa dan glukosa)
terhadap semua tahapan hidrolisis karena rendahnya aktivitas enzim β-glukosidase
(EC.3.2.1.21) dalam kompleks enzim selulase dapat dilihat pada Gambar 1.
Hambat
Hambat
Selobiosa
gula lain
Selulosa
Eksoglukanase
endoglukanase
Sakarifikasi
Gambar 1.
Hambat
Glukosa
β -- glukosidase
dan fermentasi
Etanol
Khamir
sinambung
Tahapan hidrolisis selulosa oleh enzim dan sistem sakarifikasi dan
fermentasi sinambung selulosa menjadi etanol (Koesnandar, 2001).
Koesnandar
(2001)
menyimpulkan
bahwa,
konversi
selobiosa
menggunakan sistem batch berulang dengan penambahan substrat selobiosa
secara bertahap dengan kondisi anaerob, etanol yang diperoleh ialah 60-70 g/l
selama 50-75 jam inkubasi dengan hasil konversi antara 0.40-0.47 g etanol/g
selobiosa. Hasil tersebut menunjukkan bahwa imobilisasi sel ganda antara
Lipomyces starkeyi dan S. cerevisiae sangat potensial untuk memproduksi
etanol dari selobiosa secara langsung pada konsentrasi yang tinggi (Tabel 2).
Tabel 2.
Sakarifikasi dan fermentasi simultan selebiosa menjadi etanol
menggunakan berbagai katalis
Etanol
Produksi
Sumber acuan
Katalis yang digunakan
etanol final
(g/g
(g/l)
substrat)
Imobilisasi sel ganda
70.00
0.47
Koesnandar
Lypomyces starkeyi dan
(2001)
Saccharomyces cerevisiae
Rekombinan Klebsiella oxytoca
45.20
0.49
Wood & Ingram
(1992)
Keuntungan lain dari hidrolisis enzim selain dapat bekerja pada
kondisi normal atau tidak memerlukan suhu, tekanan dan pH yang tinggi,
juga produk yang dihasilkan lebih spesifik dan dekomposisi dapat dihindari.
Laju reaksi enzim sangat dipengaruhi oleh adsorpsi enzim substrat. Semakin
banyak enzim yang dapat diserap maka semakin tinggi kecepatan reaksi hidrolisis
enzim. Faktor yang mempengaruhi adsorpsi selulase pada selulosa adalah sifat
substrat, konsentrasi enzim, perubahan struktur substrat selama hidrolisis,
inaktivasi selulase oleh produk-produk hidrolisis (Irawadi 1999).
Bioreaktor
Bioreaktor adalah alat yang digunakan untuk memperoleh lingkungan
terkontrol untuk pertumbuhan mikroorganisme, sehingga diperoleh produk yang
diinginkan. Dua
kriteria
penting
dalam
penggunaan
bioreaktor adalah
(1) peralatan harus dapat dioperasikan secara aseptis selama beberapa hari dan
mampu digunakan untuk jangka waktu yang lama, (2) agitasi dan aerasi harus
cukup tersedia agar kebutuhan metabolisme mikroorganisme terpenuhi (Stanbury
dan Whitaker 1984.)
Penggunaan bioreaktor diharapkan antara lain mampu memberikan
kondisi lingkungan seperti pH, suhu, oksigen terlarut bagi pertumbuhan
mikroorganisme beserta aktivitas metabolik yang diharapkan sehingga tercapai
proses optimum serta dapat dicegah terjadinya kontaminasi yang berasal dari
lingkungan (Hartato dan Sailah 1989). Berdasarkan cara pemberian medium atau
substrat dan pengambilan produk, sistem operasi bioreaktor dapat digolongkan
menjadi sistem batch, kontinyu dan fed-bacth (Hartoto 1991).
Tipe Fermentor
Penggolongan tipe fermentor dilakukan berdasarkan mode operasi dan
pola alir fermentor. Sistem yang paling umum digunakan adalah tangki batch
berpengaduk. Pada beberapa kasus, reaktor tipe ini juga dikerjakan secara
fed-batch.
•
Fermentor Batch
Fermentor batch relatif sederhana sesuai dengan cara operasinya, sehingga
baik untuk percobaan penentuan kinetika reaksi skala kecil. Konfigurasi fermentor
ini dapat dilihat pada Gambar 2. Beberapa kelebihan fermentor batch antara lain
adalah fleksibilitas operasinya, yaitu lebih mudah dan cepat. Namun
kelemahannya perlu banyak tenaga kerja, dan pengawasan mutu produk yang
rendah selama operasi (Hartato dan Sailah 1989).
Menurut Machfud et al.
(1989) tangki fermentor bacth adalah jenis
reaktor yang paling sederhana. Reaktor ini digunakan untuk substrat yang
mempunyai viskositas tinggi. Reaktor jenis ini dapat pula dibuat secara fed-batch
sehingga reaksi dapat berlangsung lebih efisien.
Motor
Pengendali pH
Pemecah Busa
Uap untuk
Sterilisasi
Impeller
Medium
Udara Steril
Gambar 2.
Penampang fermentor untuk fermentasi skala laboratorium
•
Fermentor Tangki Teraduk Kontinyu
Jenis fermentor ini tidak berbeda dengan fermentor batch, kecuali adanya
saluran untuk memasukan umpan dan mengeluarkan produk. Perbedaan kedua
jenis fermentor ini terutama pada tangki teraduk kontinyu berjalan secara steady
state yaitu kondisi (konsentrasi dan suhu) dalam fermentor tidak berubah selama
fermentasi. Hal tersebut dapat dicapai dengan adanya aliran umpan masuk dan
aliran produk yang keluar sama secara kontinyu.
Karakteristik penting fermentor tangki teraduk kontinyu adalah kondisi di
dalam fermentor sama dengan kondisi pada aliran keluar. Dengan demikian untuk
mengetahui kondisi di dalam fermentor seperti sisa umpan atau produk yang
terbentuk dapat dilakukan dengan menganalisis cairan fermentasi yang keluar
fermentor (Rahman 1992).
Sistem Operasi Bioreaktor
Berdasarkan pemberian medium atau substrat dan pengambilan produk,
sistem operasi bioreaktor dapat digolongkan menjadi sistem batch, kontinyu dan
fed-batch.
•
Sistem Batch
Pada sistem batch atau curah, substrat dimasukkan ke dalam bioreaktor,
kemudian dibiarkan teraduk sampai selang waktu tertentu. Setelah tercapai tingkat
konversi yang dikehendaki, produk yang dihasilkan dikeluarkan. Selang waktu
operasi sistem batch biasanya lebih pendek dari sistem kontinyu. Disebabkan
selama proses tidak ada aliran yang keluar dan masuk dimana dikenal dengan
sistem tertutup. Sistem batch merupakan sistem yang paling sederhana dan efektif
untuk reaksi-reaksi homogen (Hartato 1991).
Pada fermentasi sistem tertutup, setelah inokulasi tidak dilakukan lagi
penambahan
medium
ke dalam fermentor,
kecuali
pemberian
oksigen,
antibuih dan asam atau basa untuk mengatur pH. Karena itu pada sistem
tertutup ini, dengan semakin lamanya waktu fermentasi, laju pertumbuhan
spesifik mikroorganisme semakin
menurun sampai akhirnya pertumbuhan
berhenti. Penurunan dan berhentinya pertumbuhan disebabkan karena dengan
berhenti. Penurunan dan berhentinya pertumbuhan disebabkan karena dengan
semakin bertambahnya waktu fermentasi, nutrien-nutrien esensial dalam medium
semakin berkurang yang mempengaruhi laju pertumbuhan (Rahman 1992).
•
Sistem Kontinyu
Pada sistem ini terdapat aliran medium yang masuk ke dalam bioreaktor
serta ada aliran produk beserta sisa substrat yang belum terkonversi keluar.
Adanya kedua aliran ini menyebabkan sistem ini disebut sebagai sistem terbuka
(Hartato 1991). Lebih lanjut menurut Machfud et al. (1989), bahwa dalam sistem
kontinyu, larutan nutrien steril dalam volume tertentu ditambahkan ke dalam
fermentor secara terus-menerus, dan pada saat bersamaan cairan fermentasi yang
mengandung sel dan produk fermentasi dikeluarkan
DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT
MENGGUNAKAN BIOREAKTOR
VENTY INDRIANI PAIRUNAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS
DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Karakteristik Fermentasi Pulp
Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Biorekator adalah karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi manapun. 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, Januari 2009
Venty Indriani Pairunan
NIM F051060041
ABSTRACT
VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Characteristic of Cocoa Pulp Fermentation in
Acetic Acid Production using Bioreaktor. Under direction of USMAN AHMAD,
and TRESNAWATI PURWADARIA
Acetic acid is produced from two stages of fermentation. At the first stage,
in the anaerob condition sugars from the mixture of cocoa pulp and sucrose at
18% brix, was fermented with Saccharomyces cerevisiae producing ethanol. The
next stage was by oxidation in aerobic process, where ethanol was transformed to
acetic acid by Acetobacter aceti. The purpose of this research is to characterize
the kinetic changes of acetic acid production from cocoa pulp through alcohol
fermentation using batch and fed-batch fermentation added without and with
cellulase (0 and 13.8 U/l medium fermentation). Result showed that the highest
ethanol production was observed in 96 hours at 9.38% (w/v) µmax 0.01, Y x/s 0.31,
Y p/s 0.53 by using fed-batch fermentation. Meanwhile the highest acetic acid
production was observed at 7.84% (w/v) µmax 0.01, Y x/s 0.30, Y p/s 0.77 by
using fed-batch fermentation.
Key words: Cocoa pulp, ethanol, acetic acid, batch / fed-batch, and cellulase.
RINGKASAN
VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam
Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor. Dibimbing oleh USMAN
AHMAD, dan TRESNAWATI PURWADARIA.
Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan salah satu komoditi ekspor nonmigas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam negeri
terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang
memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Salah satu kelemahan kakao
Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang terlalu tinggi sehingga
menghasilkan biji kakao yang kurang baik. Pengurangan jumlah pulp sebelum biji
kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman biji kakao. Pulp
kakao mengandung glukosa dan sukrosa antara 12-15%, asam-asam organik,
beberapa asam amino dan selulosa. Komposisi demikian cukup baik digunakan
dalam proses fermentasi untuk menghasilkan asam asetat.
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik fermentasi pulp
kakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol
menggunakan bioreaktor. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk
mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol
menggunakan kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim
selulase dalam bioreaktor.
Rancangan acak lengkap faktorial digunakan dalam penelitian ini apabila
terdapat perbedaan antar perlakuan dilanjutkan dengan uji Duncan Multiple
Range Test (DMRT). Medium fermentasi 1000 ml (pulp kakao diencerkan 3x
dengan medium Mandels ditambahkan sukrosa hingga kadar gula total substrat
18% Brix) dan inokulum Saccharomyces cerevisiae sebanyak 10% (v/v). Pada
fermentasi alkohol masing-masing perlakuan terdiri dari batch tanpa enzim
selulase; batch dengan penambahan selulase 13.8 U/l medium fermentasi; fedbatch tanpa enzim selulase, fed-batch dengan penambahan enzim selulase 13.8
U/l medium fermentasi. Selanjutnya etanol yang dihasilkan dari fermentasi
alkohol dalam bioreaktor dilanjutkan dengan fermentasi asam asetat dengan
menambahkan inokulum Acetobacter aceti sebanyak 10% (v/v).
Hasil penelitian mengungkapkan bahwa S. cerevisiae dapat digunakan
untuk fermentasi alkohol karena pulp kakao mengandung kadar gula reduksi
sebesar 9.53% (b/v) dengan total padatan terlarut sebesar 18% brix, sedangkan
A. aceti BTCC-618 dapat digunakan untuk fermentasi asam asetat.
Kultur fed-batch dalam fermentasi alkohol pada medium pulp kakao
merupakan perlakuan terbaik dimana etanol yang dihasilkan sebesar 9.38% (b/v)
dengan µmax 0.01, Y p/s 0.53 dan Y x/s 0.31, sedangkan etanol yang dihasilkan
pada kultur batch sebesar 8.23% (b/v) dengan µmax 0.03, Y p/s 0.57 dan
Y x/s 0.65.
Produksi asam asetat yang dihasilkan dari substrat etanol hasil fermentasi
alkohol pada medium pulp kakao secara kultur fed-batch merupakan perlakuan
terbaik sebesar 7.84% (b/v) dengan µmax 0.01, Y p/s 0.77 dan Y x/s 0.30.
Kombinasi penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l medium
fermentasi) pada kultur batch (jam ke-0) dan fed-batch (jam ke-48) dalam
medium pulp kakao tidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap kadar etanol
dan produksi asam asetat, demikian halnya dengan Y p/s dan Y x/s.
Kata kunci: Pulp kakao, etanol, asam asetat, batch / fed-batch, dan selulase.
© Hak cipta milik IPB, tahun 2009
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; dan pengutipan tersebut tidak merugikan
kepentingan yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO
DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT
MENGGUNAKAN BIOREAKTOR
VENTY INDRIANI PAIRUNAN
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Teknologi Pascapanen
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.)
Judul Tesis
:
Nama
NIM
:
:
Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi
Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor
Venty Indriani Pairunan
F051060041
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
Ketua
Dr. Tresnawati Purwadaria
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi
Teknologi Pascapanen
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr.
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.
Tanggal ujian : 16 Januari 2009
Tanggal lulus : 29 Januari 2009
PRAKATA
Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala limpahan kasih-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan karya ilmiah yang berjudul
Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan
Bioreaktor.
Penghargaan yang tulus diberikan kepada Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
dan Dr. Tresnawati Purwadaria sebagai ketua dan anggota komisi pembimbing
atas segala arahan, saran, masukan, dan bantuannya dalam penulisan karya
ilmiah.
Disamping
itu,
penghargaan
juga
penulis
sampaikan
kepada
Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.) selaku penguji luar komisi.
Penulis bersyukur dan berterimakasih telah diberikan bantuan dalam
melaksanakan penelitian oleh Prof. Dr. Ir. Hadi K. Purwadaria, M.Sc. dan
Dr. Ir. Sofyan Iskandar, M.Si selaku Kepala Balai Penelitian Ternak Ciawi Bogor
beserta staf. Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada staf Laboratorium
Bioindustri, Teknologi Industri Pertanian, IPB yang tidak dapat penulis sebutkan
satu per satu yang telah bersedia memberikan bantuan dan fasilitas selama
penelitian.
Doa dan kasih sayang yang senantiasa mengalir dari kedua orang tua tercinta
dr. Ishak Pairunan, SpA. dan Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. beserta kakak
dan adik-adik Fredy Revanio Pairunan, SE., Edward Ronaldo Pairunan, dan
Lorenzo Pairunan untuk canda-tawa dan kasihnya yang selalu ada terimakasih.
Sahabat-sahabat di program studi Teknologi Pascapanen angkatan 2006
Ibu Ros, Ibu Nona, Kak Deva, Etha, Darmayanti (Almh.) dan angkatan 2007 serta
2008 semangat kebersamaan membuat kita menjadi saudara dalam menyelesaikan
studi.
Doa senantiasa penulis panjaatkan kepada Tuhan Yesus Kristus agar kasih
dan berkat serta damai sejahtera melimpah untuk kita semua AMIN.
Bogor, Januari 2009
Venty Indriani Pairunan
KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO
DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT
MENGGUNAKAN BIOREAKTOR
VENTY INDRIANI PAIRUNAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS
DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Karakteristik Fermentasi Pulp
Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan Biorekator adalah karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi manapun. 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, Januari 2009
Venty Indriani Pairunan
NIM F051060041
ABSTRACT
VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Characteristic of Cocoa Pulp Fermentation in
Acetic Acid Production using Bioreaktor. Under direction of USMAN AHMAD,
and TRESNAWATI PURWADARIA
Acetic acid is produced from two stages of fermentation. At the first stage,
in the anaerob condition sugars from the mixture of cocoa pulp and sucrose at
18% brix, was fermented with Saccharomyces cerevisiae producing ethanol. The
next stage was by oxidation in aerobic process, where ethanol was transformed to
acetic acid by Acetobacter aceti. The purpose of this research is to characterize
the kinetic changes of acetic acid production from cocoa pulp through alcohol
fermentation using batch and fed-batch fermentation added without and with
cellulase (0 and 13.8 U/l medium fermentation). Result showed that the highest
ethanol production was observed in 96 hours at 9.38% (w/v) µmax 0.01, Y x/s 0.31,
Y p/s 0.53 by using fed-batch fermentation. Meanwhile the highest acetic acid
production was observed at 7.84% (w/v) µmax 0.01, Y x/s 0.30, Y p/s 0.77 by
using fed-batch fermentation.
Key words: Cocoa pulp, ethanol, acetic acid, batch / fed-batch, and cellulase.
RINGKASAN
VENTY INDRIANI PAIRUNAN. Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam
Produksi Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor. Dibimbing oleh USMAN
AHMAD, dan TRESNAWATI PURWADARIA.
Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan salah satu komoditi ekspor nonmigas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam negeri
terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang
memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Salah satu kelemahan kakao
Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang terlalu tinggi sehingga
menghasilkan biji kakao yang kurang baik. Pengurangan jumlah pulp sebelum biji
kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman biji kakao. Pulp
kakao mengandung glukosa dan sukrosa antara 12-15%, asam-asam organik,
beberapa asam amino dan selulosa. Komposisi demikian cukup baik digunakan
dalam proses fermentasi untuk menghasilkan asam asetat.
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik fermentasi pulp
kakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol
menggunakan bioreaktor. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk
mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi alkohol
menggunakan kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim
selulase dalam bioreaktor.
Rancangan acak lengkap faktorial digunakan dalam penelitian ini apabila
terdapat perbedaan antar perlakuan dilanjutkan dengan uji Duncan Multiple
Range Test (DMRT). Medium fermentasi 1000 ml (pulp kakao diencerkan 3x
dengan medium Mandels ditambahkan sukrosa hingga kadar gula total substrat
18% Brix) dan inokulum Saccharomyces cerevisiae sebanyak 10% (v/v). Pada
fermentasi alkohol masing-masing perlakuan terdiri dari batch tanpa enzim
selulase; batch dengan penambahan selulase 13.8 U/l medium fermentasi; fedbatch tanpa enzim selulase, fed-batch dengan penambahan enzim selulase 13.8
U/l medium fermentasi. Selanjutnya etanol yang dihasilkan dari fermentasi
alkohol dalam bioreaktor dilanjutkan dengan fermentasi asam asetat dengan
menambahkan inokulum Acetobacter aceti sebanyak 10% (v/v).
Hasil penelitian mengungkapkan bahwa S. cerevisiae dapat digunakan
untuk fermentasi alkohol karena pulp kakao mengandung kadar gula reduksi
sebesar 9.53% (b/v) dengan total padatan terlarut sebesar 18% brix, sedangkan
A. aceti BTCC-618 dapat digunakan untuk fermentasi asam asetat.
Kultur fed-batch dalam fermentasi alkohol pada medium pulp kakao
merupakan perlakuan terbaik dimana etanol yang dihasilkan sebesar 9.38% (b/v)
dengan µmax 0.01, Y p/s 0.53 dan Y x/s 0.31, sedangkan etanol yang dihasilkan
pada kultur batch sebesar 8.23% (b/v) dengan µmax 0.03, Y p/s 0.57 dan
Y x/s 0.65.
Produksi asam asetat yang dihasilkan dari substrat etanol hasil fermentasi
alkohol pada medium pulp kakao secara kultur fed-batch merupakan perlakuan
terbaik sebesar 7.84% (b/v) dengan µmax 0.01, Y p/s 0.77 dan Y x/s 0.30.
Kombinasi penambahan enzim selulase (0 dan 13.8 U/l medium
fermentasi) pada kultur batch (jam ke-0) dan fed-batch (jam ke-48) dalam
medium pulp kakao tidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap kadar etanol
dan produksi asam asetat, demikian halnya dengan Y p/s dan Y x/s.
Kata kunci: Pulp kakao, etanol, asam asetat, batch / fed-batch, dan selulase.
© Hak cipta milik IPB, tahun 2009
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; dan pengutipan tersebut tidak merugikan
kepentingan yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
KARAKTERISTIK FERMENTASI PULP KAKAO
DALAM PRODUKSI ASAM ASETAT
MENGGUNAKAN BIOREAKTOR
VENTY INDRIANI PAIRUNAN
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Teknologi Pascapanen
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.)
Judul Tesis
:
Nama
NIM
:
:
Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi
Asam Asetat Menggunakan Bioreaktor
Venty Indriani Pairunan
F051060041
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
Ketua
Dr. Tresnawati Purwadaria
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi
Teknologi Pascapanen
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr.
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.
Tanggal ujian : 16 Januari 2009
Tanggal lulus : 29 Januari 2009
PRAKATA
Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala limpahan kasih-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan karya ilmiah yang berjudul
Karakteristik Fermentasi Pulp Kakao dalam Produksi Asam Asetat Menggunakan
Bioreaktor.
Penghargaan yang tulus diberikan kepada Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
dan Dr. Tresnawati Purwadaria sebagai ketua dan anggota komisi pembimbing
atas segala arahan, saran, masukan, dan bantuannya dalam penulisan karya
ilmiah.
Disamping
itu,
penghargaan
juga
penulis
sampaikan
kepada
Dr. Ir. Suroso, M.Agr. (Alm.) selaku penguji luar komisi.
Penulis bersyukur dan berterimakasih telah diberikan bantuan dalam
melaksanakan penelitian oleh Prof. Dr. Ir. Hadi K. Purwadaria, M.Sc. dan
Dr. Ir. Sofyan Iskandar, M.Si selaku Kepala Balai Penelitian Ternak Ciawi Bogor
beserta staf. Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada staf Laboratorium
Bioindustri, Teknologi Industri Pertanian, IPB yang tidak dapat penulis sebutkan
satu per satu yang telah bersedia memberikan bantuan dan fasilitas selama
penelitian.
Doa dan kasih sayang yang senantiasa mengalir dari kedua orang tua tercinta
dr. Ishak Pairunan, SpA. dan Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. beserta kakak
dan adik-adik Fredy Revanio Pairunan, SE., Edward Ronaldo Pairunan, dan
Lorenzo Pairunan untuk canda-tawa dan kasihnya yang selalu ada terimakasih.
Sahabat-sahabat di program studi Teknologi Pascapanen angkatan 2006
Ibu Ros, Ibu Nona, Kak Deva, Etha, Darmayanti (Almh.) dan angkatan 2007 serta
2008 semangat kebersamaan membuat kita menjadi saudara dalam menyelesaikan
studi.
Doa senantiasa penulis panjaatkan kepada Tuhan Yesus Kristus agar kasih
dan berkat serta damai sejahtera melimpah untuk kita semua AMIN.
Bogor, Januari 2009
Venty Indriani Pairunan
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Ujung Pandang pada tanggal 6 September 1981 dari
ayah dr. Ishak Pairunan, SpA. dan ibu Dra. Evitha Nuri Lepongbulan, Apt. penulis
merupakan putri kedua dari empat bersaudara.
Tahun 2000 penulis tamat dari Sekolah Menengah Umum Gamaliel
Makassar dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk Universitas Hasanuddin
melalui jalur Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri. Penulis memilih program
studi Agronomi, Fakultas Pertanian dan Kehutanan dan lulus pada tahun 2005.
Tahun 2006 penulis berkesempatan melanjutkan studi magister sains program
studi Teknologi Pascapanen pada Sekolah Pascasarjana IPB Bogor.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ......................................................................................
xi
DAFTAR GAMBAR .................................................................................
xii
DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................
xiv
PENDAHULUAN
Latar Belakang ...................................................................................
Tujuan Penelitian ...............................................................................
1
3
TINJAUAN PUSTAKA
Pulp Kakao ..........................................................................................
Fermentasi Alkohol ............................................................................
Fermentasi Asam Asetat ....................................................................
Enzim Selulase ....................................................................................
Bioreaktor ..........................................................................................
Tipe Fermentor ...................................................................................
Sistem Operasi Bioreaktor .................................................................
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi dalam
Bioreaktor ..........................................................................................
Kinetika Fermentasi ...........................................................................
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat .............................................................................
Bahan dan Alat ...................................................................................
Metode Penelitian ..............................................................................
Pelaksanaan Penelitian .......................................................................
Parameter yang Diamati .....................................................................
Rancangan Percobaan ..........................................................................
4
5
6
8
10
11
12
14
15
17
17
18
19
23
23
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penentuan Galur S. cerevisiae untuk Produksi Etanol ......................
Penentuan Aerasi Kultur Batch dan Fed-Batch ..............................
Peningkatan Optimasi Kadar Gula pada Substrat ............................
Fermentasi Alkohol Kultur Batch ......................................................
Fermentasi Alkohol Kultur Fed-batch ...............................................
Kinetika Fermentasi Alkohol .............................................................
Produksi Asam Asetat dari Substrat Etanol Hasil
Fermentasi Alkohol dengan Perlakuan Batch dan
Penambahan Enzim Selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi) ..
Produksi Asam Asetat dari Substrat Etanol Hasil
Fermentasi Alkohol dengan Perlakuan Fed-batch dan
Penambahan Enzim Selulase (0 dan 13.8 U/l medium fermentasi) ..
Kinetika Fermentasi Asam Asetat .....................................................
44
47
KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................
49
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................
50
LAMPIRAN ...............................................................................................
55
25
26
28
30
35
40
42
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Komposisi pulp kakao Ivorian, Nigerian dan Malaysian ....................
4
2. Sakarifikasi dan fermentasi simultan selebiosa menjadi etanol
menggunakan berbagai katalis ..............................................................
10
3. Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada
medium Mandels pada tiga kadar gula total dengan kultur
fed-batch (anaerob) ...............................................................................
30
4. Perhitungan kinetika fermentasi alkohol ...............................................
40
5. Perhitungan kinetika fermentasi asam asetat yang dilanjutkan dari
perlakuan fermentasi alkohol ................................................................
47
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Tahapan hidrolisis selulosa oleh enzim dan sistem sakarifikasi
dan fermentasi sinambung selulosa menjadi etanol ..............................
9
2 Penampang fermentor untuk fermentasi skala laboratorium ................
10
3. Penampang bioreaktor berkapasitas 2 liter ...........................................
18
4. Diagram alir tahapan penelitian produksi asam asetat dari pulp kakao ..
22
5. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium pulp
kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur
S. cerevisiae ..........................................................................................
25
6. Penurunan gula reduksi selama fermentasi alkohol pada medium pulp
kakao dengan dan tanpa penambahan sukrosa serta galur
S. cerevisiae ..........................................................................................
26
7. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium
Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch, fed-batch ..........
27
8. Penurunan kadar gula reduksi selama fermentasi alkohol pada
medium Mandels dengan pengaturan aerasi dan kultur batch dan
fed-batch ..............................................................................................
28
9. Pembentukan etanol selama fermentasi alkohol pada medium
Mandels dengan kadar gula total 6, 12, dan 18% pada kultur
fed-batch (anaerob) ...............................................................................
29
10. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol
pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase
dengan menggunakan sistem batch ......................................................
30
11. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol
pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase
serta menggunakan sistem batch ..........................................................
31
12. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut
selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa
penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem batch .........
33
13. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut
selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan
penambahan enzim selulase dan menggunakan sistem batch ...............
33
14. Perubahan nilai pH medium fermentasi alkohol menggunakan sistem
batch dengan dan tanpa penambahan enzim selulase ...........................
34
15. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol
pada medium pulp kakao tanpa penambahan enzim selulase
dengan menggunakan sistem fed-batch ................................................
35
16. Pembentukan etanol, penurunan total padatan terlarut dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi alkohol
pada medium pulp kakao dengan penambahan enzim selulase
serta menggunakan sistem fed-batch ....................................................
36
17. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut
selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao tanpa
penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem fed-batch ...
38
18. Perbandingan penurunan kadar gula reduksi dan total padatan terlarut
selama fermentasi alkohol pada medium pulp kakao dengan
penambahan enzim selulase dengan menggunakan sistem fed-batch ...
38
19. Perubahan nilai pH medium fermentasi alkohol menggunakan sistem
fed-batch dengan dan tanpa penambahan enzim selulase .....................
39
20. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan
perubahan berat kering (dry weight) selama fermentasi asam asetat
pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch
tanpa penambahan enzim selulase ........................................................
43
21. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat
pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara batch
dengan penambahan enzim selulase .....................................................
43
22. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat
pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara
fed-batch tanpa penambahan enzim selulase ........................................
45
23. Pembentukan asam asetat, penurunan substrat etanol dan
perubahan biomassa sel (dry weight) selama fermentasi asam asetat
pada medium pulp kakao melalui fermentasi alkohol secara fed-batch
dengan penambahan enzim selulase .....................................................
24. Perubahan nilai pH fermentasi asam asetat pada medium pulp
kakao melalui fermentasi alkohol secara batch dan fed-batch dengan
penambahan enzim selulase ..................................................................
45
46
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Komposisi media Mandels ....................................................................
56
2. Nilai absorbansi dan volume inokulum yang ditambahkan ..................
57
3. Prosedur analisis parameter fermentasi ..................................................
58
4. Data awal fermentasi alkohol menggunakan kultur batch dengan
penambahan selulase ...............................................................................
60
5. Data awal fermentasi alkohol menggunakan kultur fed-batch dengan
penambahan selulase .............................................................................
61
6. Analisis sakarifikasi enzim selulase terhadap pulp kakao ....................
62
7. Analisa statistik keragaman fermentasi alkohol......................................
63
8. Data awal fermentasi asam asetat menggunakan substrat
etanol hasil fermentasi alkohol dengan perlakuan kultur
(batch dan fed-batch) dan penambahan selulase ...................................
67
9. Analisis statistik keragaman fermentasi asam asetat ............................
68
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan salah satu komoditi ekspor
non-migas yang memiliki potensi yang sangat baik, sebab permintaan dalam
negeri terus meningkat dengan semakin berkembangnya sektor industri yang
memanfaatkan biji kakao sebagai bahan bakunya. Kakao juga memiliki peranan
penting sebagai sumber penghasil devisa negara dan sebagai salah satu sumber
perekonomian rakyat yang sangat potensial. Buah kakao disamping digunakan
sebagai bahan minuman penyegar non-alkohol, juga dapat berfungsi sebagai
bahan baku industri pangan dan industri farmasi.
Produksi kakao Indonesia pada tahun 2000 sebesar 431 142 ton, tahun
2001 sebesar 536 804 ton sedangkan pada tahun 2006 terjadi peningkatan
produksi kakao sebesar 779 474 ton. Peningkatan produksi kakao telah
memberikan hasil nyata bagi peningkatan pangsa pasar kakao Indonesia di kancah
perkakaoan dunia. Indonesia berhasil menempatkan diri sebagai produsen kakao
terbesar kedua dunia setelah Pantai Gading (Cote d'Ivoire) pada tahun 2002
(Direktorat Jenderal Bina Produksi Perkebunan 2006).
Salah satu kelemahan kakao Indonesia adalah kemasaman biji kakao yang
terlalu tinggi. Biji kakao yang masam mengakibatkan citarasa coklat yang lemah
sehingga kurang disukai oleh konsumen (Suryatmi 1995). Kondisi asam yang
berlebihan dapat menghambat proses fermentasi biji kakao. Pengurangan jumlah
pulp sebelum biji kakao difermentasi merupakan upaya menurunkan kemasaman
biji kakao. Pengurangan jumlah pulp kakao dapat dilakukan dengan menggunakan
alat pengurang pulp mekanik (depulper). Pengurangan pulp dengan cara ini
menghasilkan limbah pulp kakao yang berupa bubur pulp kakao. Jika dikelola
dengan baik, lendir biji kakao merupakan hasil samping industri pengolahan
kakao yang cukup menarik. Menurut Adamoko (1984), produksi lendir biji kakao
mencapai 0.10-0.19 l/kg biji basah. Pulp kakao mengandung glukosa dan sukrosa
antara 12-15%, asam-asam organik dan beberapa asam amino (Effendi 2002 dan
Opeke 1984). Komposisi demikian cukup baik digunakan dalam proses fermentasi
untuk menghasilkan asam asetat.
Pettipher (1986), menyatakan kandungan selulosa dalam pulp kakao
sebesar 4.73% berat kering (freeze dried), diharapkan dengan penambahan enzim
selulase akan lebih banyak selulosa yang terpecah menjadi molekul glukosa,
sehingga jumlah molekul glukosa yang lebih banyak dapat meningkatkan kadar
etanol sebagai substrat untuk produksi asam asetat yang tinggi.
Saat ini pemanfaatan pulp kakao belum optimal. Pemanfaatan pulp kakao
yang selama ini hanya sebagai limbah organik ke lingkungan juga dapat
dimanfaatkan sebagai substrat produksi alkohol dan asam asetat sehingga perlu
dilakukan dan perlu dicari teknologi pengolahan limbah kakao yang dapat
menangani limbah dalam jumlah yang besar.
Fermentasi adalah salah satu bagian dari bioteknologi yang menggunakan
mikroorganisme sebagai pemeran utama dalam suatu proses. Fermentasi secara
teknik dapat didefinisikan sebagai suatu proses oksidasi aerob atau partikel
anaerob dari karbohidrat dan menghasilkan alkohol serta beberapa asam. Hasil
fermentasi diperoleh sebagai akibat metabolisme mikroba pada suatu bahan
pangan dalam keadaan anaerob ataupun dalam keadaan aerob. Hasil penguraian
adalah energi, CO2, air dan sejumlah asam organik lainnya seperti etanol, asam
asetat, dan asam laktat.
Dalam
fermentasi
alkohol,
khamir
yang
digunakan
adalah
Saccharomyces cerevisiae dimana hasil utamanya adalah etanol. S. cerevisiae
merupakan salah satu jenis khamir yang cukup banyak digunakan sebagai
inokolum dalam berbagai proses industri antara lain produksi roti, tape, minuman
beralkohol dan industri etanol. S. cerevisiae juga digunakan untuk menghasilkan
produk-produk seperti biomassa, ekstrak khamir, komponen flavor.
Asam asetat merupakan salah satu produksi industri yang banyak
dibutuhkan di Indonesia. Asam asetat dapat dibuat dari substrat yang mengandung
alkohol, yang diperoleh dari berbagai macam bahan seperti buah-buahan, kulit
nanas, pulp kopi, air kelapa dan pulp kakao.
S. cerevisiae dan Acetobacter aceti merupakan jenis khamir dan bakteri
yang telah digunakan untuk produksi alkohol dan asam asetat secara komersial.
Kultivasi fed-batch dapat diterapkan untuk meningkatkan produksi alkohol dan
asam asetat, serta dapat mengurangi pengaruh inhibisi substrat. Teknik kultivasi
fed-batch yang berfokus pada pengumpanan sumber karbon yang murah dan
pembatasan nutrisi esensial lainnya seperti oksigen, nitrogen, fosfat dan
magnesium diharapkan dapat meningkatkan produksi alkohol dan asam asetat.
Tujuan Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah mempelajari karakteristik
fermentasi pulp kakao dalam produksi asam asetat dari substrat etanol hasil
fermentasi alkohol menggunakan bioreaktor.
Sedangkan tujuan khusus penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Menentukan galur biakan, pengaturan aerasi dan kadar gula total substrat
untuk produksi etanol.
b. Mengevaluasi produksi asam asetat dari substrat etanol hasil fermentasi
alkohol dengan metode kultur batch dan fed-batch dengan dan tanpa
penambahan enzim selulase dalam bioreaktor.
TINJAUAN PUSTAKA
Pulp Kakao
Kakao lindak paling banyak dibudidayakan di seluruh negara produsen
kakao dunia termasuk Indonesia, dan didominasi oleh perkebunan rakyat. Kakao
lindak Indonesia ditandai dengan ciri pulp yang tebal, keasaman biji keringnya
tinggi. Pulp yang tebal dapat berasal dari buah yang kurang masak atau biji kecil
(Suryatmi 1995). Hasil analisis komposisi dari pulp kakao dari Ivorian, Nigerian
dan Malaysia dapat dilihat pada Tabel 1 (Pettipher 1986).
Tabel 1. Komposisi pulp kakao Ivorian, Nigerian dan Malaysian (Pettipher 1986)
Komposisi
Ivorian
Nigerian
Malaysian
(g/100g berat segar pulpa)
Etanol
Sukrosa
Glukosa
Fruktosa
0
4.35
3.00
3.80
0.10
1.92
5.06
6.07
0.20
1.35
4.90
5.35
Dalam freeze dried (g/kg berat kering)
Selulosa
Hemiselulosa
Pektin
Lignin
51.80
28.50
66.10
15.00
Tidak ditentukan
Tidak ditentukan
59.1
Tidak ditentukan
47.30
15.80
37.50
5.00
Sekitar 15-25% larutan gula dapat diubah selama fermentasi. Berbagai
jenis bahan seperti pati kentang, sirup glukosa, sukrosa, sirup gula tebu, molases
tebu dan molases bit dapat digunakan sebagai karbohidrat. Tetapi pada umumnya
hanya gula yang dapat dengan cepat dimanfaatkan sebagai sumber karbon dalam
fermentasi. Atmawinata et al. (1998) menyatakan bahwa pulp diketahui
mempunyai kandungan glukosa antara 10-15% dan air 80-85%. Effendi (2002)
menyatakan bahwa, limbah cair pulp kakao dengan kadar gula 12-15% potensial
untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku berbagai produk proses kimia industri
melalui pendekatan bioteknologi.
Komposisi media merupakan faktor yang penting bagi pertumbuhan
mikroorganisme. Menurut Purawisastra et al. (1994) komponen media yang
diperlukan adalah unsur karbon, nitrogen dan mineral. Pengaruh konsentrasi
sukrosa awal yang berbeda pada fermentasi gula pasir dan nira tebu terhadap
etanol yang dihasilkan disebabkan karena konsentrasi glukosa pada awal
fermentasi untuk kedua medium adalah berbeda. Nira tebu mengandung glukosa
lebih besar dari gula pasir karena nira tebu merupakan bahan alami, sehingga
molekul glukosanya tidak hanya secara alami sudah mengandung glukosa, tetapi
juga berasal dari molekul sukrosa yang terhidrolisis.
Fermentasi Alkohol
Etanol adalah nama kimia dari alkohol, rumus kimianya adalah C2H5OH.
Penggunaannya sangat luas antara lain dalam industri kimia, kosmetik, industri
minuman, sebagai bahan pelarut dan bahan bakar. Etanol dapat dibuat dari bahan
hasil pertanian, seperti bahan yang mengandung turunan gula (molase gula tebu,
sari buah), bahan yang mengandung pati, atau bahan yang mengandung selulosa
kayu, limbah kayu, onggok, pulp kakao (Hartono 1991).
Gula sederhana seperti glukosa dapat langsung difermentasi menjadi
etanol. Bahan yang mengandung senyawa yang lebih kompleks seperti pati atau
selulosa harus dihidrolisis menjadi senyawa yang lebih sederhana sebelum
difermentasi menjadi etanol. Hidrolisis dapat dilakukan secara kimiawi atau
menggunakan enzim. Purawisastra et al. (1994) menjelaskan bahwa medium gula
pasir dengan penambahan enzim invertase dapat meningkatkan konsentrasi etanol
yang dihasilkan.
Susijahadi et al. (1998) lebih lanjut menjelaskan bahwa konsentrasi
gula awal substrat berpengaruh terhadap jumlah alkohol yang dihasilkan.
Wardani et al. (1991) menjelaskan bahwa, secara teoritis kadar alkohol
maksimum yang dapat diperoleh dari 180 g/l gula adalah 12.26% v/v.
S. cerevisiae adalah galur yang memproduksi etanol dalam jumah tinggi
sehingga sering digunakan dalam produksi etanol, anggur, minuman keras, dan
enzim invertase. Purawisastra et al. (1994) menyimpulkan bahwa enzim invertase
disamping berperan pada hidrolisis molekul sukrosa menjadi fruktosa dan
glukosa. Juga dapat membantu proses konversi glukosa menjadi etanol. Dengan
demikian, etanol yang dihasilkan dipengaruhi oleh konsentrasi awal molekul
sukrosa dan glukosa sebelum fermentasi berlangsung.
Baik khamir maupun bakteri dapat digunakan untuk memproduksi etanol.
Khamir S. cerevisiae var ellipsoids mampu menghasilkan etanol dalam jumlah
tinggi 16-18% pada media yang sesuai. Damanhuri (2004) menyimpulkan bahwa,
substrat larutan madu rambutan afkir dengan kadar gula total 20% menghasilkan
16.10% etanol. Effendi (2002) berpendapat bahwa, fermentasi substrat limbah
cair pulp kakao dengan kadar gula 12.63% baik tanpa maupun dengan
penambahan urea dan S. cerevisiae R60 dengan konsentrasi inokulum 10% (v/v),
suhu 30 οC, waktu fermentasi 48 jam dihasilkan kadar etanol rata-rata 5.30%.
Untuk menghasilkan kadar etanol sebesar 5% sampai 6% diperlukan waktu
fermentasi antara 48 sampai 50 jam.
Pada kondisi aerob atau konsentrasi glukosa tinggi S. cerevisiae tumbuh
dengan baik, namun etanol yang dihasilkan rendah dibandingkan secara anaerob.
Pada kondisi anaerob, pertumbuhan lambat dan piruvat dari jalur katabolik
dipecah oleh enzim piruvat dikarbosilase menjadi asetaldehid dan karbon
dioksida. Pada umumnya produksi etanol meliputi tiga tahap dimana tiap tahap
harus dioptimasi, fermentasi dan destilasi (Hartoto 1991).
Fermentasi Asam Asetat
Asam asetat merupakan hasil dua tahap proses fermentasi dimana tahap
pertama adalah fermentasi gula menjadi etanol oleh khamir, sedangkan tahap
kedua adalah oksidasi etanol menjadi asam asetat oleh bakteri asam asetat.
Asam asetat (vinegar) adalah senyawa yang cukup penting dalam pengolahan
bahan pangan baik sebagai bumbu maupun bahan pengawet (Luwihana 1998).
Menurut Wardani et al. (1991) bahwa vinegar adalah larutan encer asam asetat
yang dihasilkan melalui dua tahap fermentasi larutan gula menjadi etanol dan
dilanjutkan dengan proses oksidasi etanol menjadi asam asetat.
Fermentasi asam asetat membutuhkan medium yang mengandung etanol
10-13%, umumnya medium tersebut diperoleh dari hasil fermentasi alkohol, yaitu
fermentasi pengubahan gula menjadi etanol. Bila konsentrasi etanol terlalu tinggi,
pembentukan asam asetat akan terganggu, sehingga fermentasi etanol menjadi
asam asetat tidak berlangsung dengan sempurna, selain itu keasaman medium
perlu diperhatikan (Darwis dan Sukara 1989). Damanhuri (2004) menjelaskan
fermentasi asam asetat dengan substrat etanol 16.10% menghasilkan 0.11% asam
asetat dengan lama fermentasi selama 5 minggu.
Pada proses pembuatan cuka fermentasi, mula-mula dilakukan tahap
fermentasi alkohol dimana gula yang ada diubah menjadi etanol menggunakan
khamir S. cerevisiae dalam kondisi anaerobik, selanjutnya dalam tahap fermentasi
asetat, etanol akan diubah menjadi asam asetat, galur yang paling umum
digunakan ialah A. aceti, dalam kondisi aerob (Chandra et al. 1990).
Effendi (2002), menyimpulkan bahwa pada fermentasi etanol hasil
fermentasi limbah cair pulp kakao oleh A. aceti B127 dengan kondisi suhu 30 οC,
nilai pH awal 4, konsentrasi etanol 5% (v/v), inokulum 10% (v/v), dengan
kecepatan pengadukan terbaik 400 rpm dengan hasil asam asetat 4.24%. Ebner
(1983) dan Standardisasi Nasional (1990) menjelaskan cuka yang baik minimal
harus mengandung 4% asam asetat.
Produksi asam asetat dapat ditingkatkan dengan cara pemberian aerasi dan
agitasi serta pengaturan suhu fermentasi pada suhu optimum pertumbuhan bakteri
asam asetat. Produksi asam sangat bergantung pada tingkat kesuburan
pertumbuhan sel bakteri dan tingkat kesuburan tersebut menurun seiring dengan
peningkatan kadar etanol substrat (Soedarini et al. 1998).
Pudjiraharti et al. (1998) menyimpulkan bahwa pembuatan asam cuka dari
sari buah jambu mete telah dilakukan dalam fermentor Biostat B skala 2 liter.
Fermentasi berlangsung pada suhu 35 οC, pH awal 4, aerasi 1 vvm dan berbagai
kecepatan agitasi 500, 600 dan 700 rpm selama 6 hari. Kadar total asam
maksimum dicapai pada hari ke-tiga fermentasi pada semua kecepatan agitasi.
Fermentasi dengan kecepatan agitasi 600 rpm menunjukkan total asam tertinggi
4.01% (b/v) ekivalen dengan 3.90% (b/v) asam asetat dengan efisiensi
pengubahan dari etanol menjadi asam asetat 58.64%. Dari hasil analisis
kandungan etanol, pada hari ke-tiga fermentasi kadar etanol sisa dalam media
mendekati nol pada semua kecepatan agitasi.
Nurika et al. (2001) menyimpulkan bahwa, nilai rata-rata jumlah asam
asetat yang terbentuk dari media air kelapa secara fermentasi kontinyu dengan
penambahan 10% (v/v) A. aceti FNCC 0016 (IFO 3283) berkisar antara 0.44
sampai dengan 1.12 g/hari yang diperoleh dari perlakuan tinggi partikel dalam
kolom bio-oksidasi 34 cm dengan kecepatan aerasi 0.08 vvm.
Enzim Selulase
Irawadi (1999) menyatakan bahwa, enzim yang berperan dalam proses
hidrolisis limbah lignoselulosa terdiri dari tiga kelompok, yaitu kelompok
selulase, ligninase dan hemiselulase. Masing-masing kelompok terdiri atas tiga
jenis enzim. Selulase terdiri dari endoglukanase (CHC-ase), eksoglukanase
(selobio-hidrolase)
dan
β-glukosidase.
Ligninase
terdiri
dari
laccase,
lignin-peroksidase dan Mn-peroksidase. Hemiselulase (xilanase) terdiri dari
endoxilanase, eksoxilanase dan β-xilosidase. Sudaryati et al. (1993) menyatakan
bahwa, selulase adalah nama trival bagi semua enzim yang memutuskan ikatan
glikosidik β-1.4 di dalam selulosa, sedodekstrin, selobiosa.
Selulase sesungguhnya adalah enzim yang kompleks sehingga dapat
mendegradasi selulosa membentuk monosakaridanya yaitu glukosa. Aktivitas
enzim selulase dinyatakan dalam satuan unit per mililiter filtrat enzim (U/ml).
Satu unit aktivitas enzim setara dengan satu mikromol glukosa yang dihasilkan
dari perlakuan enzim terhadap larutan karboksimetil selulosa 1% setara 1 unit
(Wirakartakusumah et al. 1987). Menurut Irawadi (1999) bahwa, semakin tinggi
aktivitas enzim maka semakin tinggi pula gula pereduksi yang dihasilkan.
Purwadaria et al. (2004) menyatakan bahwa, produksi enzim selulase
dengan Penicillium nalgiovense S11 pada media pollard gandum dapat
ditingkatkan dengan perlakuan awal pada substrat. Perlakuan NaOH
dengan
peningkatan konsentrasi substrat dari 2 menjadi 4% dengan waktu inkubasi
optimum 5 hari meningkatkan produksi enzim selulase (CMCase, FPase,
β-glucosidase). Penambahan 250 ppm glukosa juga meningkatkan aktivitas
spesifik dari CMCase, FPase, β-glucosidase.
Menurut Ghani et al. (1990) bahwa, enzim selulotik terbentuk dari
beberapa mikroorganisme termasuk fungi, actinomycetes dan bakteri, ada 40
spesies fungi, 12 spesies bakteri dan 4 spesies dari actinomycetes yang dapat
memproduksi selulase. Beberapa keuntungan dalam penggunaan bakteri :
1) Spesies bakteri mempunyai waktu potensial lebih besar dalam manipulasi
genetik.
2) Bakteri memiliki waktu pendek untuk produksi enzim
Selulosa yang tersedia berlimpah sangat potensial dipakai sebagai bahan
baku untuk produksi etanol. Proses hidrolisis enzimatis secara bertahap dari
selulosa menjadi glukosa dipengaruhi oleh faktor penghambat yang sangat
menentukan didalam biokonversi selulosa menjadi etanol. Faktor penyebab
utamanya ialah adanya penghambatan produk (terutama selobiosa dan glukosa)
terhadap semua tahapan hidrolisis karena rendahnya aktivitas enzim β-glukosidase
(EC.3.2.1.21) dalam kompleks enzim selulase dapat dilihat pada Gambar 1.
Hambat
Hambat
Selobiosa
gula lain
Selulosa
Eksoglukanase
endoglukanase
Sakarifikasi
Gambar 1.
Hambat
Glukosa
β -- glukosidase
dan fermentasi
Etanol
Khamir
sinambung
Tahapan hidrolisis selulosa oleh enzim dan sistem sakarifikasi dan
fermentasi sinambung selulosa menjadi etanol (Koesnandar, 2001).
Koesnandar
(2001)
menyimpulkan
bahwa,
konversi
selobiosa
menggunakan sistem batch berulang dengan penambahan substrat selobiosa
secara bertahap dengan kondisi anaerob, etanol yang diperoleh ialah 60-70 g/l
selama 50-75 jam inkubasi dengan hasil konversi antara 0.40-0.47 g etanol/g
selobiosa. Hasil tersebut menunjukkan bahwa imobilisasi sel ganda antara
Lipomyces starkeyi dan S. cerevisiae sangat potensial untuk memproduksi
etanol dari selobiosa secara langsung pada konsentrasi yang tinggi (Tabel 2).
Tabel 2.
Sakarifikasi dan fermentasi simultan selebiosa menjadi etanol
menggunakan berbagai katalis
Etanol
Produksi
Sumber acuan
Katalis yang digunakan
etanol final
(g/g
(g/l)
substrat)
Imobilisasi sel ganda
70.00
0.47
Koesnandar
Lypomyces starkeyi dan
(2001)
Saccharomyces cerevisiae
Rekombinan Klebsiella oxytoca
45.20
0.49
Wood & Ingram
(1992)
Keuntungan lain dari hidrolisis enzim selain dapat bekerja pada
kondisi normal atau tidak memerlukan suhu, tekanan dan pH yang tinggi,
juga produk yang dihasilkan lebih spesifik dan dekomposisi dapat dihindari.
Laju reaksi enzim sangat dipengaruhi oleh adsorpsi enzim substrat. Semakin
banyak enzim yang dapat diserap maka semakin tinggi kecepatan reaksi hidrolisis
enzim. Faktor yang mempengaruhi adsorpsi selulase pada selulosa adalah sifat
substrat, konsentrasi enzim, perubahan struktur substrat selama hidrolisis,
inaktivasi selulase oleh produk-produk hidrolisis (Irawadi 1999).
Bioreaktor
Bioreaktor adalah alat yang digunakan untuk memperoleh lingkungan
terkontrol untuk pertumbuhan mikroorganisme, sehingga diperoleh produk yang
diinginkan. Dua
kriteria
penting
dalam
penggunaan
bioreaktor adalah
(1) peralatan harus dapat dioperasikan secara aseptis selama beberapa hari dan
mampu digunakan untuk jangka waktu yang lama, (2) agitasi dan aerasi harus
cukup tersedia agar kebutuhan metabolisme mikroorganisme terpenuhi (Stanbury
dan Whitaker 1984.)
Penggunaan bioreaktor diharapkan antara lain mampu memberikan
kondisi lingkungan seperti pH, suhu, oksigen terlarut bagi pertumbuhan
mikroorganisme beserta aktivitas metabolik yang diharapkan sehingga tercapai
proses optimum serta dapat dicegah terjadinya kontaminasi yang berasal dari
lingkungan (Hartato dan Sailah 1989). Berdasarkan cara pemberian medium atau
substrat dan pengambilan produk, sistem operasi bioreaktor dapat digolongkan
menjadi sistem batch, kontinyu dan fed-bacth (Hartoto 1991).
Tipe Fermentor
Penggolongan tipe fermentor dilakukan berdasarkan mode operasi dan
pola alir fermentor. Sistem yang paling umum digunakan adalah tangki batch
berpengaduk. Pada beberapa kasus, reaktor tipe ini juga dikerjakan secara
fed-batch.
•
Fermentor Batch
Fermentor batch relatif sederhana sesuai dengan cara operasinya, sehingga
baik untuk percobaan penentuan kinetika reaksi skala kecil. Konfigurasi fermentor
ini dapat dilihat pada Gambar 2. Beberapa kelebihan fermentor batch antara lain
adalah fleksibilitas operasinya, yaitu lebih mudah dan cepat. Namun
kelemahannya perlu banyak tenaga kerja, dan pengawasan mutu produk yang
rendah selama operasi (Hartato dan Sailah 1989).
Menurut Machfud et al.
(1989) tangki fermentor bacth adalah jenis
reaktor yang paling sederhana. Reaktor ini digunakan untuk substrat yang
mempunyai viskositas tinggi. Reaktor jenis ini dapat pula dibuat secara fed-batch
sehingga reaksi dapat berlangsung lebih efisien.
Motor
Pengendali pH
Pemecah Busa
Uap untuk
Sterilisasi
Impeller
Medium
Udara Steril
Gambar 2.
Penampang fermentor untuk fermentasi skala laboratorium
•
Fermentor Tangki Teraduk Kontinyu
Jenis fermentor ini tidak berbeda dengan fermentor batch, kecuali adanya
saluran untuk memasukan umpan dan mengeluarkan produk. Perbedaan kedua
jenis fermentor ini terutama pada tangki teraduk kontinyu berjalan secara steady
state yaitu kondisi (konsentrasi dan suhu) dalam fermentor tidak berubah selama
fermentasi. Hal tersebut dapat dicapai dengan adanya aliran umpan masuk dan
aliran produk yang keluar sama secara kontinyu.
Karakteristik penting fermentor tangki teraduk kontinyu adalah kondisi di
dalam fermentor sama dengan kondisi pada aliran keluar. Dengan demikian untuk
mengetahui kondisi di dalam fermentor seperti sisa umpan atau produk yang
terbentuk dapat dilakukan dengan menganalisis cairan fermentasi yang keluar
fermentor (Rahman 1992).
Sistem Operasi Bioreaktor
Berdasarkan pemberian medium atau substrat dan pengambilan produk,
sistem operasi bioreaktor dapat digolongkan menjadi sistem batch, kontinyu dan
fed-batch.
•
Sistem Batch
Pada sistem batch atau curah, substrat dimasukkan ke dalam bioreaktor,
kemudian dibiarkan teraduk sampai selang waktu tertentu. Setelah tercapai tingkat
konversi yang dikehendaki, produk yang dihasilkan dikeluarkan. Selang waktu
operasi sistem batch biasanya lebih pendek dari sistem kontinyu. Disebabkan
selama proses tidak ada aliran yang keluar dan masuk dimana dikenal dengan
sistem tertutup. Sistem batch merupakan sistem yang paling sederhana dan efektif
untuk reaksi-reaksi homogen (Hartato 1991).
Pada fermentasi sistem tertutup, setelah inokulasi tidak dilakukan lagi
penambahan
medium
ke dalam fermentor,
kecuali
pemberian
oksigen,
antibuih dan asam atau basa untuk mengatur pH. Karena itu pada sistem
tertutup ini, dengan semakin lamanya waktu fermentasi, laju pertumbuhan
spesifik mikroorganisme semakin
menurun sampai akhirnya pertumbuhan
berhenti. Penurunan dan berhentinya pertumbuhan disebabkan karena dengan
berhenti. Penurunan dan berhentinya pertumbuhan disebabkan karena dengan
semakin bertambahnya waktu fermentasi, nutrien-nutrien esensial dalam medium
semakin berkurang yang mempengaruhi laju pertumbuhan (Rahman 1992).
•
Sistem Kontinyu
Pada sistem ini terdapat aliran medium yang masuk ke dalam bioreaktor
serta ada aliran produk beserta sisa substrat yang belum terkonversi keluar.
Adanya kedua aliran ini menyebabkan sistem ini disebut sebagai sistem terbuka
(Hartato 1991). Lebih lanjut menurut Machfud et al. (1989), bahwa dalam sistem
kontinyu, larutan nutrien steril dalam volume tertentu ditambahkan ke dalam
fermentor secara terus-menerus, dan pada saat bersamaan cairan fermentasi yang
mengandung sel dan produk fermentasi dikeluarkan