Studi Flokulasi Sel Saccharomyces cereviseae Menggunakan Bioflokulan Starch Graft Polyacrylamide Termodifikasi Dalam Produksi Bioetanol - UNS Institutional Repository

  

STUDI FLOKULASI SEL Saccharomyces cerevisiae

MENGGUNAKAN BIOFLOKULAN STARCH GRAFT

POLYACRYLAMIDE TERMODIFIKASI DALAM

PRODUKSI BIOETANOL

TESIS

  

Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister

Program Studi Teknik Kima

  Oleh :

WINDHU GRIYASTI SUCI

  S071608001

  

PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2018

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis haturkan kepada Allah SWT., karena limpahan rahmat dan hidayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tesis dengan judul “Studi Flokulasi Sel Saccharomyces cereviseae Menggunakan Bioflokulan

  Starch Graft Polyacrylamide Termodifikasi Dalam Produksi Bioetanol

  ”. Dalam penyusunan Tesis ini penulis memperoleh banyak bantuan baik berupa dukungan moral maupun material dari berbagai pihak. Oleh karena itu sudah sepantasnya penulis mengucapkan terima kasih kepada :

  1. Inayati, S.T., M.T., Ph.D., selaku Kepala Program Studi Magister Teknik Kimia FT UNS dan pembimbing akademik.

  2. Dr. Margono, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing utama penelitian dan tesis.

  3. Mujtahid Kaavessina, S.T., M.T., Ph.D selaku dosen pembimbing pendamping penelitian dan tesis.

4. Suami, anak-anakku, dan keluarga tercinta yang selalu memberi semangat dan do’a.

  5. Tim penelitian flokulasi dan fermentasi 2018 (Hasan, Clarissa, Ratna, dan Febian) yang telah membantu pelaksanaan penelitian.

  6. Segenap sivitas akademika Teknik Kimia FT UNS yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

  Akhir kata penulis mengucapkan semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca sekalian. Apabila ada kesalahan dalam penyusunan tesis ini, penulis mohon maaf. Kritik dan saran membangun penulis harapkan demi perbaikan laporan yang akan datang.

  Surakarta, Desember 2018

  Penulis

  

ABSTRAK

  Bioetanol adalah salah satu energi alternatif yang dapat digunakan sebagai campuran bensin. Permasalahannya harga bioetanol saat ini lebih mahal dibandingkan bensin. Salah satu penyebabnya adalah biaya produksi bioetanol mahal. Upaya pengurangan biaya produksi dapat dilakukan melalui peningkatan produktivitas bioetanol. Salah satu upaya peningkatan produktivitas bioetanol adalah menggunakan metode imobilisasi sel.

  Imobilisasi sel menjadi menarik karena telah diklaim dapat meningkatkan performa proses fermentasi. Metode imobilisasi menggunakan matriks padat telah banyak diteliti dan dikembangkan. Kelemahannya timbul masalah difusivitas substrat dan desorbsi produk. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan kebaruan imobilisasi sel melalui proses flokulasi menggunakan flokulan

  

Polyacrylamide Grafted Starch (St-g-PAM). Performa dari St-g-PAM dalam

  menjaring sel pada medium molases dipelajari dengan variasi konsentrasi flokulan. Kemampuan sel untuk bertahan hidup didalam flok selama flokulasi dan adanya penambahan partikel impuritas (kaolin) juga diteliti. Efisiensi flok dalam proses fermentasi dipelajari menggunakan variasi konsentrasi sel. Kadar gula terkonsumsi dan kadar etanol menjadi parameter perhitungan yield dan produktivitas bioetanol. Penggunaan ulang sel terimobil juga dipelajari.

  Sel Saccharomyces cereviseae 10%(w/v) dalam medium molases

  

o

  diinkubasi dalam incubator shaker T 30 C dan 125 rpm selama 24 jam. Larutan flokulan St-g-PAM ditambahkan kedalam medium molases dengan variasi

  o

  konsentrasi 10%, 20%, 30%, 40% (v/v). Proses flokulasi dijaga pada suhu 30 C selama 24 jam. Sel S. cerevisiae yang terjaring dalam flok terikut turun mengendap di dasar erlenmeyer. Flok berisi sel terjaring tersebut digunakan sebagai stater pada proses fermentasi. Hasil penambahan flokulan terbaik dari proses flokulasi digunakan pada fermentasi. Media produksi dibuat dengan pengenceran molases, sel hasil flokulasi ditambahkan ke media produksi. Inkubasi media produksi menggunakan incubator shaker dengan kecepatan 125 rpm dan

  o suhu 30 C selama 24 jam.

  Karakteristik proses flokulasi sel terbaik diperoleh saat penambahan flokulan 40%v/v dengan turbiditas 184 NTU. Hasil yang berbeda ketika flokulasi sel dengan penambahan impuritas turbiditasnya 275 NTU. Proses fermentasi terbaik diperoleh ketika konsentrasi flok 4x dengan yield mencapai 49,99% g/g dan produktivitasnya 4,46 g/L/jam. Pada percobaan pengujian ulang sel diperoleh yield tertinggi pada ulangan ke 2 yaitu mencapai 49,13% g/g, produktivitas 4,11 g/L/jam, dan efisiensinya 96,34%. Hal ini dapat disimpulkan bahwa St-g-PAM dapat digunakan sebagai flokulan untuk mengimobilisasi S. cerevisiae. Imobilisasi sel melalui proses flokulasi mampu meningkatkan konsentrasi sel sehingga produktivitas bioetanol meningkat. Proses fermentasi dengan imobilisasi sel menggunakan St-g-PAM dapat digunakan berulang.

  

Keyword : energi alternatif, imobilisasi, flokulasi, fermentasi, sel S. cerevisiae

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN PEMBIMBING TESIS ...................................... ii HALAMAN PENGESAHAN PENGUJI TESIS ................................................ iii PERNYATAAN KEASLIAN DAN PUBLIKASI ............................................ iv LEMBAR KONSULTASI ................................................................................. v KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii ABSTRAK ......................................................................................................... ix DAFTAR ISI ...................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xiii DAFTAR TABEL .............................................................................................. xiv DAFTAR SINGKATAN ................................................................................... xv BAB I PENDAHULUAN ..............................................................................

  1 I.1. Latar Belakang Masalah ..............................................................

  1 I.2. Rumusan Masalah ........................................................................

  2 I.3. Tujuan Penelitian .........................................................................

  3 I.4. Manfaat........................................................................................

  3 BAB II LANDASAN TEORI ...........................................................................

  4 II.1. Tinjauan Pustaka ...........................................................................

  4 II.1.1. Teori Flokulasi ....................................................................

  5 II 1.2. Klasifikasi Flokulan ...........................................................

  7 II.1.3. Pengadukan Pada Proses Flokulasi ....................................

  7 II.1.4. Molases ...............................................................................

  9 II.1.5. Starch Graft Polycrilamide ...............................................

  9 II.2. Kerangka berpikir .......................................................................... 10

  II.3. Hipotesa ........................................................................................ 12

  BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................... 13 III.1. Tempat dan Waktu Penelitian ...................................................... 13 III.2. Alat dan Bahan Penelitian. .......................................................... 14

  III.3.1. Pembuatan Stater ............................................................. 14

  III.3.1.1. Pembuatan Stater 1 ........................................... 14

  III.3.1.2. Pembuatan Stater 2 ........................................... 15

  III.3.2. Pembuatan Larutan Flokulan St-g-PAM .......................... 15

  III.3.3. Langkah Flokulasi ........................................................... 16

  III.3.3.1. Pengaruh impuritas terhadap kecepatan flokulasi ........................................................... 16

  III.3.3.1.1. Flokulasi Partikel Sel .................... 16

  III.3.3.1.2. Flokulasi Partikel Sel dengan penambahan impuritas (kaolin) .... 16

  III.3.3.2. Pengaruh konsentrasi flokulan St-g-PAM ......... 16

  III.3.3.2.1. Flokulasi Partikel sel ..................... 16

  III.3.3.2.2. Flokulasi Partikel Sel dengan penambahan impuritas (kaolin) .... 16

  III.3.4. Langkah Fermentasi ........................................................ 17

  III.3.4.1. Pengaruh Peningkatan Konsentrasi Sel ............ 17

  III.3.4.2. Uji Penggunaan Ulang Sel ................................ 17

  III.3.5. Analisa Sampel ................................................................ 17

  III.3.5.1. Analisa Kadar Gula (Metode Dubois) .............. 17

  III.3.5.2. Analisa Kadar Etanol ........................................ 18

  III.3.5.3. Analisa Jumlah Sel ........................................... 18

  III.3.5.4. Analisa Void Fraction....................................... 18

  BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ................................... 19 IV.1. Proses Flokulasi ........................................................................ 19 IV.1.1 Pengaruh Impuritas Pada Kecepatan Flokulasi ............... 19 IV.1.2. Pengaruh Konsentrasi Flokulan Terhadap Efisiensi Flokulasi ......................................................................... 23 IV.1.3. Pengaruh Konsentrasi Flokulan Terhadap Void Fraction Flok ................................................................................. 25 IV.1.4. Efektivitas Sel Terjaring Dalam Flok ............................. 26

  IV.2.1. Pengaruh Peningkatan Konsentrasi Sel Terhadap Etanol-Gula ........................................................... 28

  Yield

  IV.2.2. Produktivitas ................................................................... 32

  IV.2.3. Uji Penggunaan Ulang Sel (Durabilitas Sel) .................. 34

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 37 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ xvi LAMPIRAN ....................................................................................................... xxi

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. (a) Adsorbsi polimer dan pembentukan loop yang tersedia untuk pengikatan, (b) Polymer bridging antar partikel (c) Restabilisasi

  pertikel ......................................................................................... 6

Gambar 2.2 Skema Mekanisme Netralisasi Muatan ....................................... 7Gambar 2.3. Proses Pembentukan Ikatan Flok................................................. 8Gambar 2.4. Tahap Inisiasi ............................................................................... 9Gambar 2.5. Tahap Propagasi ........................................................................... 10Gambar 2.6. Tahap Terminasi ........................................................................... 10Gambar 2.7 Ilustrasi sel terjaring oleh flokulan ............................................... 11Gambar 4.1 Profil turbiditas selama proses flokulasi menggunakan flokulan

  St-g-PAM 40%v/v ....................................................................... 20

Gambar 4.2. Pengaruh konsentrasi flokulan terhadap turbiditas selama 24 jam ......................................................................................... 23Gambar 4.3 Pengaruh flokulan terhadap void fraction selama 24 jam ............ 26Gambar 4.4. Pengaruh konsentrasi flokulan terhadap jumlah sel terjaring ...... 27Gambar 4.5. Profil penambahan konsentrasi flokulan terhadap efektivitas sel terjaring........................................................................................ 28Gambar 4.6. Profil kadar gula sisa selama fermentasi ...................................... 29Gambar 4.7. Profil kadar etanol selama fermentasi .......................................... 30Gambar 4.8. Pengaruh peningkatan konsentrasi sel terhadap yield selama fermentasi .................................................................................... 31Gambar 4.9. Profil kadar gula sisa selama fermentasi ..................................... 35Gambar 4.10. Profil kadar etanol selama waktu fermentasi 36 jam .................. 35

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Komposisi Molases ......................................................................... 9Tabel 4.1. Konstanta Nilai a dan b ................................................................... 21Tabel 4.2. Nilai konstanta dari penurunan persamaan flokulasi ....................... 22Tabel 4.3. Kecepatan flokulasi partikel............................................................. 24Tabel 4.4. Efisiensi flokulasi ............................................................................. 24Tabel 4.5. Kecepatan konsumsi gula rata-rata selama 36 jam .......................... 30Tabel 4.6. Produktivitas bioetanol menggunakan S. cereviseae variasi matrik 33Tabel 4.7. Pengaruh peningkatan konsentrasi sel terhadap produktivitas etanol ............................................................................................... 33Tabel 4.8. Pengaruh penggunaan ulang sel terhadap yield dan produktivitas selama fermentasi 36 jam ................................................................ 36

DAFTAR SINGKATAN

  NTU PG PVA TMEDA v/v w/v

  : Nephelometric Turbidity Units : Pabrik Gula : Polyvinyl Alcohol : Tetramethylethylenediamine : volume/volume : weight/volume

BAB I PENDAHULUAN I.1.Latar Belakang Masalah Cadangan minyak bumi di Indonesia semakin menipis dan diperkirakan

  habis dalam jangka waktu 18 tahun lagi (Abimanyu dan Sunit, 2014), sementara konsumsi minyak bumi selalu meningkat seiring dengan pertumbuhan mesin transportasi maupun industri serta produk turunan lainnya. Oleh karena itu, pencarian sumber energi alternatif yang bersifat baru dan terbarukan sangat penting untuk dilakukan. Pemerintah telah membuat kebijakan energi nasional bahwa 17% total energi nasional pada tahun 2025 berasal dari sumber energi baru terbarukan (Peraturan Presiden RI No. 5 tahun 2006). Salah satu sumber energi baru terbarukan adalah bioetanol yang dapat digunakan sebagai campuran bensin. Peraturan Menteri ESDM No 12 Tahun 2015 menyatakan bahwa kewajiban minimal pemanfaatan bioetanol sebagai campuran BBM pada tahun 2020 sebesar 10% dan tahun 2025 sebesar 20% terhadap kebutuhan total. Kelebihan lain bioetanol adalah bahan baku mudah diperoleh dan lebih ramah lingkungan.

  Pemanfaatan bioetanol sebagai sumber energi baru dan terbarukan belum maksimal disebabkan harga bioetanol belum dapat bersaing dengan energi konvensional berbasis minyak bumi, yaitu bensin. Biaya produksi bioetanol yang tinggi menjadi salah satu penyebab utama mahalnya harga bioetanol. Upaya pengurangan biaya produksi dapat dilakukan melalui peningkatan produktivitas proses fermentasinya. Berbagai penelitian menunjukkan bahwa peningkatan produktivitas dapat dilakukan dengan metode imobilisasi.

  Beberapa matriks polimer yang biasa digunakan dalam imobilisasi sel adalah alginat, karagenan, dan polyacrylamide. Karakter imobilisasi sel dalam karagenan dan alginat memiliki kelemahan, yaitu bead karagenan atau alginat mengalami swelling (mengembang) selama proses fermentasi sehingga umurnya menjadi pendek. Selain itu imobilisasi sel dengan matrik padat ada hambatan pada proses difusivitas substrat maupun produk, sehingga diperlukan matrik pendukung yang bersifat porous. Kelemahan lain proses imobilisasi menggunakan karagenan atau alginat memerlukan biaya yang cukup mahal.

  Berdasarkan permasalahan tersebut maka perlu dicari teknik imobilisasi lain untuk sel S. cerevisiae. Metode yang digunakan harus dapat mengatasi masalah hambatan difusivitas dan biaya proses imobilisasi sel, dalam hal ini adalah metode flokulasi. Flokulan yang potensial digunakan adalah flokulan

  

starch graft polyacrilamide (St-g-PAM) . Kelebihan flokulan ini adalah bahan

  bakunya murah dan ramah lingkungan karena akan terdegradasi oleh mikroorganisme lingkungan .

  Proses flokulasi sel merupakan suatu kebaruan yang belum pernah diteliti sebelumnya. Flokulasi sel dipengaruhi adanya impuritas atau pengotor. Penelitian ini menggunakan bahan impuritas kaolin. Penambahan suspensi kaolin diharapkan dapat mempercepat flokulasi sehingga proses imobilisasi sel bisa berjalan lebih efektif.

  Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari proses flokulasi sel S.

  

cerevisiae menggunakan flokulan St-g-PAM dan penggunaannya pada proses

  fermentasi bioetanol. Variabel yang dipelajari yaitu konsentrasi flokulan, dan peningkatan konsentrasi sel dalam stater.

I.2. Rumusan Masalah

  Berdasarkan uraian latar belakang tersebut maka dapat disimpulkan masalah penelitian sebagai berikut: a. Adakah perbedaan pengaruh penambahan impuritas terhadap flokulasi sel S.

  cerevisiae ?

  b. Bagaimana kinerja bioflokulan St-g-PAM ketika digunakan untuk imobilisasi sel S. cerevisiae? c. Bagaimana pengaruh jumlah flok (sel S. cerevisiae terimobilisasi) terhadap produktivitas bioetanol? d. Dapatkah flok-flok sel S. cerevisiae tersebut digunakan secara berulang pada

I.3. Tujuan Penelitian

  a. Mendapatkan konsentrasi flokulan terbaik sehingga diperoleh efisiensi fermentasi paling baik.

  b. Mengetahui kinerja bioflokulan St-g-PAM ketika digunakan sebagai flokulan pada proses imobilisasi sel S. cerevisiae.

  c. Mendapatkan pengaruh jumlah flok (sel S. cerevisiae terimobilisasi) terhadap produktivitas bioetanol.

  d. Mendapatkan jumlah penggunaan ulang flok-flok sel S. cerevisiae pada medium baru secara tepat.

I.4. Manfaat Penelitian

  Keberhasilan penelitian ini akan mempunyai manfaat / dampak antara lain:

  1. Bagi Masyarakat Metode imobilisasi sel dengan teknik flokulasi yang sederhana serta bahan baku yang mudah diperoleh diharapkan dapat dimanfaatkan/ diaplikasikan oleh masyarakat sehingga dapat meningkatkan produktivitas pada proses produksi bioetanol dan keuntungan produsen bioetanol.

  2. Bagi IPTEK Penelitian ini diharapkan dapat menghasilkan metode baru dalam proses imobilisasi sel melalui flokulasi sehingga mampu mengatasi masalah difusivitas substrat dan produk serta mahalnya biaya proses imobilisasi sel.

BAB II LANDASAN TEORI II.1. TINJAUAN PUSTAKA Produksi bioetanol secara fermentasi umumnya menggunakan sel mikroba

  bebas dalam batch fermentor dan continuous fermentor. Masalah-masalah yang timbul dengan menggunakan teknik sel mikroba bebas antara lain produktivitas bioetanol dan nilai konversi substrat menjadi bioetanol yang tinggi sulit diperoleh. Usaha untuk meningkatkan nilai tersebut telah dilakukan oleh beberapa peneliti, misalnya dengan menggunakan cell recycle system. Namun, masalah lain timbul yaitu pada flow rate yang tinggi banyak mikroba yang lolos (Jain et al., 1985). Produktivitas yang tinggi dapat dicapai antara lain dengan memperbanyak jumlah sel mikroba penghasil bioetanol (Luong, 1985), dan salah satu cara yaitu dengan mengimmobilisasi sel tersebut. Immobilisasi sel telah banyak dicoba dengan menggunakan beberapa macam matrik, seperti Rakin et al., (2009) melakukan studi perbandingan antara produksi etanol oleh yeast terimobilisasi pada Ca- alginat dengan yeast terimobilisasi pada polyvinyl alcohol (PVA), menggunakan substrat hidrolisat pati jagung dengan kadar total gula awal sebesar 176 g/L. Hasil penggunaan yeast terimobilisasi pada Ca-alginat mencapai konsentrasi 10,1% (v/v), sedangkan penggunaan yeast terimobilisasi PVA menghasilkan konsentrasi 7,2% (v/v). Penggunaan Ca-alginat pada penelitian tersebut memiliki kelemahan, yaitu mengalami degradasi pada siklus repeated-batch ke-2.

  Pacheco et al., (2010) meneliti penggunaan bagas jambu mete sebagai pengimobilisasi sel S. cerevisiae dalam produksi etanol secara repeated-batch. yang diberikan terhadap bahan tersebut sebelum digunakan adalah

  Treatment

  perendaman dalam HCl 3% selama 2,5 jam disertai pengadukan secara konstan dan dilanjutkan dengan delignifikasi menggunakan NaOH 2%. Konsentrasi bioetanol yang dihasilkan rata-rata sebesar 19,82-37,83 g/L dengan konversi 44,80%-96,50% serta efisiensi sebesar 85,30-98,52%. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa bagas jambu mete merupakan penyangga yang efisien untuk

  Bangkrak et al., (2011) mengimobil yeast menggunakan kombinasi spons dengan alginat dalam produksi etanol secara kontinyu. Substrat gula palma

• 1

  dengan konsentrasi awal sebesar 220 g/L serta laju 0,2h , diperoleh produktivitas

• 1 -1

  etanol sebesar 11,5 g L h dan konsentrasi etanol 57,4 g/L. Perlakuan pada laju

• 1

  berbeda (0,11 h ), mampu menghasilkan etanol dengan konsentrasi lebih tinggi, yaitu 82,1 g/L. Akan tetapi, produktivitas yang dihasilkan lebih rendah, yaitu 9,0

• 1 -1 g L h .

  Eiadpum et al., (2012) meneliti produksi etanol oleh sel terimobilisasi menggunakan co-kultur Kluyveromyces marxianus dan Saccharomyces cerevisiae. Bahan pengimobilisasi adalah matriks loofa-alginat dan kepompong ulat sutera. Substrat yang digunakan ekstrak tebu dan molases berkonsentrasi total gula sebesar 220 g/L, diperoleh etanol dengan konsentrasi masing-masing 81,4 g/L dan 77,3 g/L. Konsentrasi etanol yang dihasilkan ini masing-masing lebih tinggi 5,9- 8,7% dan 16,8-39,0% dibandingkan dengan menggunakan free cells.

  Suci et al., (2018) melakukan percobaan imobilisasi sel menggunakan metode flokulasi. Hasil yang diperoleh produktivitas sel meningkat 3,6 kali dibandingkan free cell. Jenis flokulan yang digunakan pada penelitian tersebut adalah bioflokulan St-g-PAM. Kinerja bioflokulan St-g-PAM telah diteliti oleh Kaavessina et al., (2017) dimana ketika digunakan pada penjernihan air mampu memflokulasi kotoran dan terbukti tidak mempengaruhi tingkat keasaman air.

II.1.1.Teori flokulasi

  Flokulasi adalah penggabungan inti flok yang berukuran kecil menjadi flok yang berukuran lebih besar yang memungkinkan partikel-partikelnya dapat mengendap dengan penambahan flokulan (Yang et al., 2012). Mekanisme flokulasi ada tiga macam, antara lain :

  (i) Mekanisme Bridging Mekanisme bridging terjadi ketika polimer rantai panjang dengan berat molekul tinggi dan densitas rendah (Caskey dan Primus, 1986) teradsorpsi pada partikel sehingga membentuk loop dan rantai panjang seperti dan interaksi antar polimer dengan partikel lain, sehingga menciptakan

  bridging antar partikel seperti yang ditunjukkan dalam Gambar. 2.1 (b) (Biggs et al., 2000; Blanco et al., 2002; Lee et al., 2012).

  Mekanisme bridging efektif terjadi jika rantai polimer dapat menjangkau permukaan partikel yang lain. Selain itu, harus ada permukaan kosong pada partikel untuk membentuk bridging dengan partikel lainnya. Oleh karena itu jumlah polimer tidak boleh berlebihan. Permukaan partikel dipenuhi dengan polimer tidak ada tempat untuk 'menjembatani' dengan partikel lain, partikel dikatakan restabil (Sher et al., 2013) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. (c).

Gambar 2.1. (a) Adsorpsi polimer dan pembentukan loop yang tersedia untuk pengikatan. (b) Polymer bridging antar partikel. (c) Restabilisasi partikel

  (Sharma et al., 2006). (ii) Netralisasi Muatan

  Gugus aktif polimer akan mengikat partikel tersuspensi yang mempunyai muatan yang berlawanan sehingga muatan menjadi netral lihat

Gambar 2.2 (Bohuslav, 2005).Gambar 2.2. Skema mekanisme netralisasi muatan

  (iii) Mekanisme Network Pada model ini larutan polimer diasumsikan membentuk “network” melalui ikatan hidrogen, ikatan van der walls, atau ikatan lainnya. Partikel tersuspensi dapat distabilkan oleh flokulasi dengan menambahkan polimer yang mempunyai berat molekul tinggi.

  II.1.2. Klasifikasi Flokulan

  Flokulan dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori yaitu organik dan inorganik. Flokulan inorganik yang biasa digunakan adalah garam dari logam multivalent seperti alumunium dan besi (Joe et al., 2007). Flokulan organik dibedakan menjadi dua yaitu sintetik dan alami. Flokulan sintetik dapat dibedakan menjadi kationik, anionik, dan nonionik. Menurut gugusnya, flokulan polimer ada dua macam yaitu flokulan homopolimer dan flokulan kopolimer. Flokulan homopolimer adalah polimer yang hanya mempunyai satu jenis gugus fungsi. Flokulan kopolimer memiliki gugus fungsi lebih dari satu baik gugus ionik maupun nonionik dan memiliki karakteristik lebih baik daripada homopolimer sebagai flokulan. Flokulan alami yang banyak digunakan antara lain pati, selulosa, asam alginat, dan getah karet.

  II.1.3. Pengadukan Pada Proses Flokulasi

  Tujuan pengadukan adalah untuk menghasilkan turbulensi sehingga dapat mendispersikan flokulan yang akan dilarutkan dalam medium. Pengadukan merupakan suatu proses yang terangkai menjadi kesatuan dalam kecil menjadi flok besar terjadi karena adanya tumbukan antar flok sehingga terbentuk ikatan atau jaringan (Gambar 2.3). Tumbukan ini terjadi akibat adanya pengadukan lambat (slow mixing) pada saat proses flokulasi berlangsung (O.P.Sahu, 2013).

Gambar 2.3. Proses pembentukan ikatan flok

  Koagulasi adalah proses penambahan zat kimia (koagulan) yang memiliki kemampuan untuk menjadikan partikel koloid tidak stabil menjadi partikel-partikel kecil stabil sehingga siap membentuk flok. Flokulasi adalah proses pembentukan dan penggabungan flok dari partikel-partikel kecil menjadi lebih besar sehingga mudah mengendap (Wagiman, 2014) .

  Berdasarkan kecepatan pengadukan campuran dibagi menjadi 2 yaitu pengadukan cepat dan pengadukan lambat. Pengadukan cepat bertujuan menghasilkan dispersi yang seragam dari partikel-partikel koloid sehingga meningkatkan kesempatan partikel untuk kontak dan bertumbukan satu sama lain. Pengadukan lambat bertujuan menggumpalkan partikel-partikel terkoagulasi berukuran mikro menjadi partikel-partikel flok yang lebih besar. Pengadukan lambat menghasilkan kontak dan tumbukan antar partikel yang lebih banyak dan lebih sering. Ketika pertumbuhan flok sudah cukup maksimal, flok-flok ini akan mengendap ke dasar reservoir sehingga terbentuk 2 lapisan yaitu lapisan air jernih pada bagian atas reservoir dan lapisan endapan flok yang

II.1.4. Molases

  Molases merupakan produk samping dari(Sebayang, 2006). Molases hasil dari industri gula tebu didalam molases cukup tinggi lihat tabel 2.1 sehingga dapat digunakan sebagai sumber bahan baku yang baik untuk pembuataMolases berbentuk cairan kental berwarna cokelat. Molases dapat digunakan sebagai bahan ba

2 O

  8. CaO 0,15-0,7 0,1-1

Gambar 2.4. Tahap inisiasi

  Tahap inisiasi dapat digambarkan sebagai berikut:

  polimerisasi dengan radikal bebas menurut Nicholson (1991) meliputi tahap inisiasi, propagasi dan terminasi/disproporsionasi. Mekanisme tersebut dijelaskan sebagai berikut:  Inisiasi, adalah tahap pembentukkan fragmen yang bersifat radikal bebas.

  

usefull , dan tidak mempengaruhi keasaman pada medium. Mekanisme

  menjadi polyacrylamide kemudian di graft dengan starch (modified cassava) dengan konsentrasi tertentu. St-g-PAM mempunyai kelebihan mudah dibuat,

  St-g-PAM adalah flokulan yang dibuat dari proses polimerisasi acrylamide

  7. MgO 0,01-0,1 0,03-0,1

Tabel 2.1. Komposisi Molases (Sulistyaningrum, 2007)

  0,02-0,07 0,76-2

  5

  6. P

  5. C 28 -34 28-33

  4. N 0,2-2,8 0,4-1,5

  3. Gula invert 1,0 21,2

  2. Sukrosa 48,5 33,4

  1. Bahan kering 78 - 85 77-84

  

No Komposisi Tetes tebu (%) Beet molases (%)

II.1.5. Starch Graft Polyacrylamide (St-g-PAM)

   Propagasi, adalah penumbuhan rantai cabang pada fragmen radikal bebas yang terbentuk pada tahap inisiasi. Tahap propagasi dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 2.5. Tahap Propagasi

   Terminasi adalah penghentian proses propagasi. Terminasi dibedakan menjadi dua, yaitu kombinasi dan disproporsionasi. Tahap terminasi dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 2.6. Tahap Terminasi

II.2. Kerangka Berpikir

  Proses produksi bioetanol mengalami perkembangan, pada saat ini ada dua teknologi secara batch dan continous. Pada teknologi batch dan sel yang digunakan dalam keadaan bebas memiliki kelemahan yaitu konsentrasi pertumbuhan sel terbatas sehingga produktivitasnya rendah. Penelitian ini difokuskan pada proses peningkatan produktivitas bioethanol salah satunya menggunakan metode imobilisasi.

  Metode imobilisasi diharapkan mampu meningkatkan konsentrasi sel sehingga produktivitas akan meningkat. Pada imobilisasi memerlukan matriks yang dapat mensuport sel. Beberapa penelitian telah dilakukan yaitu menggunakan matriks polimer misalnya alginate, agar dan karagenen. digunakan justru dapat menghambat difusivitas dan produktivitas substrat serta produk, sehingga dirasa metode ini kurang efektif.

  Penelitian ini akan menggunakan metode imobilisasi sel S. cerevisiae dengan teknik flokulasi yang diharapkan dapat meningkatkan konsentrasi sel sehingga produktivitas akan meningkat. Proses flokulasi menggunakan bahan flokulan yang termodifikasi dengan bahan berpati sehingga ramah lingkungan.

  Bioflokulan St-g-PAM merupakan polimer dengan berat molekul tinggi sehingga dapat membentuk “network” melalui ikatan hidrogen, ikatan van der

  

walls , atau ikatan lainnya. Sel S. cerevisiae yang tersuspensi di dalam medium

  akan terikut turun dalam jaring-jaring hasil mekanisme networking. Kondisi akan berbeda apabila pada medium ditambahkan partikel lain (impuritas). Bioflokulan St-g-PAM yang mempunyai gugus reaktif yaitu gugus amida akan mengikat/menyerang salah satu atau lebih sisi partikel dari impuritas sehingga akan terjadi mekanisme bridging. Kondisi sel terjaring dalam flok dapat dilihat pada ilustrasi Gambar 2.7.

Gambar 2.7. Ilustrasi sel terjaring oleh flokulanGambar 2.7. menunjukkan keberadaan sel dalam jaring-jaring flok

  (terimobilisasi) namun masih dapat bergerak bebas dan tidak ada hambatan difusivitas substrat maupun desorpsi produk. Flok yang terbentuk semakin lama akan bertambah besar sehingga bersama sel akan turun dan mengendap dibagian bawah.

  Pemilihan bahan baku molases pada penelitian ini antara lain karena memastikan tidak ada masalah timbul akibat bahan baku selama fermentasi. Metode flokulasi ini menggunakan bioflokulan poliacrylamide termodifikasi yang dipolimerisasi dari acrylamide.

II.3. Hipotesis

  Produktivitas proses fermentasi bioetanol sangat dipengaruhi oleh konsentrasi S. cerevisiae dalam medium dan hal ini diduga dapat ditingkatkan melalui proses flokulasi sel. Jumlah flokulan yang ditambahkan dan juga bahan impuritas flokulasi akan berpengaruh pada proses pembentukan flok-flok maupun imobilisasi sel S. cerevisiae di dalam flok-flok tersebut. Hasil flok-flok sel S. cerevisiae diduga dapat digunakan secara berulang pada medium yang baru, sehingga dapat menurunkan biaya produksi bioetanol.

BAB III METODE PENELITIAN III.1. Tempat dan Waktu Penelitian III.1.1. Tempat Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Proses Teknik Kimia UNS III.1.2. Waktu Penelitian Bulan No Jenis Kegiatan Jun Jul Agt Sep Okt Nov Des Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul

  1 Persiapan penelitian

  2 Percobaan pendahuluan

  3 Pengambilan data pendahuluan

  4 Analisis data pendahuluan

  5 Penulisan Publikasi ilmiah I

  6 Seminar internasional (Publikasi ilmiah I)

  7 Pengambilan data penelitian

  8 Analisis data penelitian

  9 Seminar Kemajuan riset

  10 Penulisan Publikasi ilmiah

  II

  11 Seminar hasil penelitian

12 Penulisan tesis

  III.2. Alat dan Bahan Penelitian

  11. H

  4 Cl

  7. MgSO

  4 .7H

  2 O

  8. KH

  2 PO

  4

  9. CaCl

  2 .2H

  2 O

  10. Phenol

  2 SO

  5. Glukosa

  4

  12. Etanol

  13. Starch graft polyacrylamide

  (St-g-PAM)

  14. Kaolin

  15. Gas Nitrogen

  III.3. Tatalaksana Penelitian

  III.3.1. Pembuatan starter

  III.3.1.1. Pembuatan stater 1

  Peralatan disterilisasi menggunakan autoclave pada suhu 121

  o

  6. NH

  4. Yeast extrak

  III.2.1. Alat

  12. Oven

  1. Incubator Shaker

  2. Erlenmeyer

  3. Gelas beaker

  4. Klem dan statif

  5. Magnetic stirer

  6. Termometer

  7. Labu leher tiga

  8. Condenser

  9. Neraca digital

  10. Gelas ukur

  11. Pendingin bola

  13. Pipet tetes

  3. Yeast kering (fermiol)

  14. Pipet volume

  15. Autoclave

  16. Corong kaca

  17. Spektrofotometer

  18. Turbidity meter

  19. Mikroskop

  20. Hemaecytometer

  21. Kompor listrik

  22. Piknometer

  III.2.2. Bahan

  1. Molases

  2. Aquadest

  C, selama 20 glukosa 20 g/L, MgSO 4.

  7H

2 O 0,25 g/L, NH

  4 Cl 1,3 g/L, CaCl 2.

  2H

  2 O 0,06 g/L,

  dilarutkan dalam 1L aquadest. Media tersebut disterilisasi pada autoclave suhu

  o

  121

  C, selama 20 menit, kemudian didinginkan sampai suhu ruangan. Yeast kering (fermiol) sebanyak 10 gram dimasukkan ke dalam media stater 1 lalu

  o

  diinkubasi selama 24 jam menggunakan incubator shaker pada suhu 30 C dan 125 rpm.

  III.3.1.2. Pembuatan stater 2

  Medium stater 2 untuk proses flokulasi sel dibuat dari molases 30 ml diencerkan dengan aquadest menjadi 90 ml lalu dimasukkan ke dalam erlenmeyer

  o

  250 ml. Sterilisasi medium pada autoclave suhu 121

  C, selama 20 menit. Stater 1 sebanyak 10 ml ditambahkan ke medium, inkubasi dalam incubator shaker

  o kecepatan 125 rpm, suhu 30 C selama 24 jam.

  Medium stater 2 untuk proses flokulasi sel dengan penambahan impuritas dibuat dari molases 30 ml diencerkan dengan 60 ml larutan kaolin 1 g/L (turbiditas larutan kaolin 200-300 NTU). Sterilisasi medium tersebut pada

  o

  suhu 121

  C, selama 20 menit. Stater 1 sebanyak 10 ml ditambahkan ke

  autoclave o

  medium, inkubasi dalam incubator shaker kecepatan 125 rpm, suhu 30 C selama 24 jam

  III.3.2. Pembuatan larutan flokulan St-g-PAM

  Flokulan St-g-PAM sebanyak 200 gram dilarutkan dalam 200 ml

  o

  aquadest menggunakan magnetik stirer 400 rpm, T 50

  C, selama 3,5 jam. Filtrat dipisahkan dengan flokulan yang tidak larut. Flokulan yang tidak larut

  o

  dikeringkan dalam oven T 100 C sampai diperoleh berat konstan. Flokulan yang telah kering ditimbang. Flokulan yang terlarut dihitung dari berat flokulan mula- mula dikurangi berat flokulan yang tidak larut.

  III.3.3. Langkah Flokulasi

  III.3.3.1. Pengaruh impuritas terhadap kecepatan flokulasi

  III.3.3.1.1 Flokulasi partikel sel

  Larutan flokulan St-g-PAM sebanyak 40%v/v ditambahkan ke dalam medium stater 2 kemudian dimasukkan incubator shaker selama 5 menit. Flokulasi pada suhu ruangan lalu turbiditas diukur pada jam ke 0, 2, 4, 6, 8, 10, dan 12 jam. Flokulasi sel dilanjutkan sampai 24 jam untuk uji stabilitas flokulan.

  III.3.3.1.2. Flokulasi partikel sel dengan penambahan impuritas (kaolin)

  Larutan flokulan St-g-PAM sebanyak 40%v/v ditambahkan ke dalam medium stater 2 yang mengandung impuritas kaolin kemudian dimasukkan

  

incubator shaker selama 5 menit. Flokulasi pada suhu ruangan lalu turbiditas

  diukur pada jam ke 0, 2, 4, 6, 8, 10, dan 12 jam. Flokulasi sel dilanjutkan sampai 24 jam untuk uji stabilitas flok.

  III.3.3.2. Pengaruh konsentrasi flokulan St-g-PAM

  III.3.3.2.1 Flokulasi partikel sel

  Larutan flokulan St-g-PAM dengan variasi 0%v/v, 10%v/v, 20%v/v, 30%v/v, dan 40%v/v ditambahkan pada medium stater 2 kemudian dimasukkan selama 5 menit. Flokulasi pada suhu ruangan lalu turbiditas.

  incubator shaker

  diukur pada jam ke 0 dan jam ke 24 menggunakan turbiditymeter. Bagian fitrat dipisahkan dengan endapan (sel yang sudah terflokulasi).

  III.3.3.2.2. Flokulasi partikel sel dengan penambahan impuritas (kaolin)

  Larutan flokulan St-g-PAM dengan variasi 0%v/v, 10%v/v, 20%v/v, 30%v/v, dan 40%v/v ditambahkan ke dalam media stater 2 yang mengandung impuritas kaolin kemudian dimasukkan incubator shaker selama 5 menit.

  Flokulasi pada suhu ruangan lalu turbiditas diukur pada jam ke 0 dan jam ke 24 menggunakan turbidity meter. Bagian fitrat dipisahkan dengan endapannya (sel yang sudah terflokulasi).

  III.3.4. Langkah Fermentasi

  III.3.4.1. Pengaruh Peningkatan Konsentrasi Sel

  Media produksi yang berisi molases 30%b/b sebanyak 100 ml disterilisasi

  

o

  menggunakan autoclave pada suhu 121

  C, selama 20 menit. Sel hasil flokulasi (larutan flokulan 40%v/v) ditambahkan ke dalam media produksi dengan variasi penambahan 1x, 2x, 3x, dan 4x. Media produksi diinkubasi menggunakan

  o

incubator shaker dengan kecepatan 125 rpm dan suhu 30 C selama 24 jam.

  Sampel diambil pada jam ke 12, 24, 36, dan 48 jam untuk dianalisa kadar gula, jumlah sel, dan kadar ethanol.

  III.3.4.2. Uji Penggunaan Ulang Sel (Durabilitas Sel)

  Media produksi yang berisi molases 30%b/b sebanyak 100 ml disterilisasi

  

o

  menggunakan autoclave pada suhu 121

  C, selama 20 menit. Sel hasil flokulasi (larutan flokulan 40%v/v) dari 4 buah erlemeyer ditambahkan ke dalam 100 ml medium produksi. Media produksi diinkubasi menggunakan incubator shaker

  

o

  dengan kecepatan 125 rpm dan suhu 30 C selama 36 jam. Sampel diambil pada jam ke-12, 24, dan 36 jam untuk analisa pengukuran kadar gula, jumlah sel, dan kadar ethanol. Media produksi dikeluarkan dari incubator shaker lalu endapkan selama 2 jam. Sel terjaring dipisahkan dengan filtrat lalu dimasukkan ke media poduksi yang baru. Ulangi langkah tersebut pada media produksi yang baru sampai sel tidak produktif.

  III.3.5. Analisa Sampel

  III.3.5.1. Analisa Kadar Gula (Metode Dubois)

  Sampel sebanyak 1 ml diencerkan dengan aquadest 1000x, lalu diambil 2 ml dimasukkan ke dalam tabung reaksi. Larutan Fenol 80% sebanyak 100 µ L ditambahkan ke dalam tabung reaksi yang berisi sampel lalu diaduk dengan vortex sampai terbentuk pusaran selama ± 5 menit. H

  2 SO 4 sebanyak 5 ml ditambahkan ke

  dalam tabung reaksi tersebut dan didiamkan selama 20 menit lalu diaduk dengan vortex lagi sampai terbentuk pusaran selama ± 5 menit. Sampel dimasukkan ke diukur menggunakan spektrofotometer UV-vis dengan panjang gelombang 490 nm. Kadar gula dihitung menggunakan kurva standart.

  III.3.5.2. Analisa Kadar Etanol

  Sampel sebanyak 2,5 ml diencerkan 4x dengan aquadest. Sampel didistilasi sampai diperoleh distilat (±7ml). Distilat ditimbang menggunakan piknometer ukuran 5 ml dan hasilnya dibandingkan dengan tabel kadar etanol pada Perry's Chemical Engineers' Handbook edisi 8 tabel 2-110 hal 2-112.

  III.3.5.3. Analisa Jumlah Sel

  Lensa obyektif, lensa okuler, pengatur sinar pada mikroskop dan

  

haemacytometer dibersihkan dengan kain flanel atau tisu kering. Cover glass di

  pasang di atas haemacytometer, lalu ditambahkan 1 tetes sampel yang telah diencerkan menggunakan pipet melalui tepi cover glass dan di gesek sampai ada warna pelangi. Sel di hitung secara diagonal pada 5 kotak kecil yang ada dalam haemacytometer.

  III.3.5.4. Analisa Void Fraction Endapan hasil flokulasi dipisahkan dari filtrat dengan cara ditiriskan.

  Volume endapan diukur menggunakan gelas ukur. Cawan petri kosong ditimbang sebagai berat kosong. Endapan yang telah diukur volumenya dituangkan ke dalam

  o

  cawan lalu ditimbang sebagai berat basah. Endapan dioven pada T 100 C sampai kering dan diperoleh berat konstan. Void fraction dihitung dari berat endapan basah dikurangi berat endapan kering.

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN IV. 1. PROSES FLOKULASI Mekanisme pembentukan flok dapat melalui mekanisme networking dan

  

bridging (Pal et al., 2011; Song et al., 2011; Yang et al., 2012a, 2013). Oleh karena

itu, untuk mempelajari mekanisme mana yang sesuai dengan proses flokulasi sel S.

cerevisiae maka medium molases disaring sehingga bersih dari partikel padatan dan

  dipastikan bahwa pada saat penambahan flokulan hanya ada partikel sel dalam broth. Percobaan lain adalah mempelajari proses flokulasi dengan menambahkan bahan pengotor (impuritas) ke dalam broth. Bahan impuritas yang digunakan adalah kaolin yang sebelumnya telah diuji pada proses flokulasi menggunakan flokulan St-

  

g-PAM. Percobaan ini dimaksudkan untuk mempelajari efektivitas flokulan dan

  pengaruh impuritas terhadap proses flokulasi. Efektivitas flokulan diukur dengan parameter kecepatan flokulasi, stabilitas flok, dan ruang kosong (void fraction) flok. Selain itu juga dipelajari efektivitas flokulan dalam meng-imobilisasi sel S.