Ubi Kayu Bioethanol Production from Cassava with Vinasse Recycle for Fermentation

kandungan patinya yang cukup tinggi; harga ubi kayu di saat panen raya seringkali sangat rendah sehingga dengan mengolahnya menjadi etanol diharapkan harga ubi kayu menjadi lebih stabil; ubi kayu akan menguatkan security of supply bahan bakar berbasis kemasyarakatan; ubi kayu toleran terhadap tanah dengan tingkat kesuburan rendah, mampu berproduksi baik pada lingkungan sub-optimal, dan mempunyai pertumbuhan yang relatif lebih baik pada lingkungan sub-optimal dibandingkan dengan tanaman lain Prihandana et al. 2007. Potensi pengembangan ubi kayu di Indonesia sangat besar karena produktivitasnya dari tahun ke tahun semakin meningkat seperti disajikan pada Tabel 1. Tabel 1 Perkembangan produksi ubi kayu di Indonesia Tahun Luas Panen ha Produksi ton Produktivitas kuha 2000 1.284.040 16.089.020 125,00 2001 1.317.912 17.054.648 129,41 2002 1.276.533 16.912.901 132,00 2003 1.244.543 18.523.810 149,00 2004 1.255.805 19.424.707 155,00 2005 1.213.460 19.321.183 159,00 2006 1.227.459 19.986.640 163,00 2007 1.201.481 19.988.058 166,36 2008 1.193.319 2 21.593.053 2 180,95 2 2009 1.194.181 1 21.786.691 1 182,44 1 Keterangan: 1 : angka ramalan I 2 : angka sementara Sumber: Departemen Pertanian 2009 Selama ini dikenal ada dua jenis ubi kayu, yaitu ubi kayu manis dan ubi kayu pahit. Kriteria manis dan pahit biasanya berdasarkan kadar asam sianida HCN yang terkandung dalam umbi ubi kayu. Komposisi kimia tepung dan pati ubi kayu jenis pahit dan manis ternyata hampir sama, kecuali kadar serat dan kadar abu pada tepung ubi kayu manis lebih tinggi dari tepung ubi kayu pahit Rattanachon et al. 2004. Umbi dari ubi kayu mempunyai kandungan karbohidrat sekitar 32 hingga 35. Jenis polisakarida yang menyusun umbi ubi kayu antara lain pati, selulosa dan hemiselulosa. Perbandingan kandungan kimia tepung ubi kayu tersaji pada Tabel 2. Tabel 2 Komposisi kimia tepung ubi kayu dan ubi kayu segar Komponen Komposisi bk Tepung Ubi Kayu a Ubi Kayu Segar b Air Abu Lemak Protein Karbohidrat by difference Serat kasar Selulosa Hemiselulosa Lignin Pati 8,65 ± 0,10 2,55 ± 0,14 6,54 ± 0,02 1,81 ± 0,03 80,45 ± 0,23 2,69 ± 0,04 0,36 ± 0,01 1,88 ± 0,03 0,02 ± 0,01 62,54 ± 0,00 57,00 2,46 - - 11,05 74,81 Sumber : a Arnata 2009, b Susmiati 2010 Karbohidrat yang terkandung dalam ubi kayu terdiri dari serat kasar dan pati. Serat kasar terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan lignin yang berfungsi sebagai penguat tekstur. Komponen karbohidrat merupakan bahan baku utama yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan etanol adalah pati yang berfungsi sebagai sumber energi. Pati terdiri dari dua fraksi yaitu fraksi amilosa dan amilopektin. Fraksi amilosa mempunyai struktur lurus dengan ikatan α-1,4-D-glikosida, sedangkan fraksi amilopektin mempunyai struktur bercabang dengan ikatan α-1,6-D- glikosida sebanyak 4-5 dari berat total. Molekul-molekul glukosa di dalam amilosa saling bergandengan melalui gugus glukopiranosa β-1,4. Hidrolisis amilosa menghasilkan maltosa di samping glukosa dan oligosakarida lainnya, sedangkan pada amilopektin sebagian dari molekul-molekul glukosa di dalam rantai percabangannya saling berikatan melalui gugus α-1,6. Ikatan α-1,6 sangat sukar diputuskan, terlebih jika dihidrolisis memakai katalisator asam. Struktur kimia amilosa dan amilopektin ditunjukkan pada Gambar 1. Amilosa Amilopektin Gambar 1 Struktur kimia amilosa dan amilopektin dalam pati Zamora 2005. Selulosa merupakan serat-serat panjang yang secara bersama-sama dengan hemiselulosa dan lignin membentuk struktur jaringan yang memperkuat dinding sel tanaman. Selulosa terdiri atas sejumlah besar molekul glukosa nomor satu dengan gugus hidroksil C 4 dari molekul glukosa lainnya. Selulosa mempunyai struktur yang mirip dengan amilosa yaitu merupakan polimer berantai lurus α- 1,4-D-glikosida namun berbeda pada jenis ikatan glikosidanya yaitu β-1,4-D- glikosida. Selulosa jika dihidrolisis oleh enzim selobiase akan menghasilkan dua molekul glukosa dari ujung rantai, sehingga dihasilkan selobiosa β-1,4-D- glikosida Winarno 1992. Struktur kimia selulosa ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2 Struktur kimia selulosa Zamora 2005. Hemiselulosa merupakan polimer dari sejumlah sakarida-sakarida yang berbeda-beda antara lain D-xilosa, L-arabinosa, D-galaktosa, D-glukosa dan D- glukorunat. Susunan dari bahan-bahan tersebut dalam rantai hemiselulosa juga banyak bercabang karena gugus β-glukosida di dalam molekul yang satu dapat berikatan dengan gugus hidroksil C 2 , C 3 atau C 4 dari molekul yang lain Tjokroadikoesoemo 1986. Hemiselulosa dihubungkan oleh ikatan kovalen dengan lignin. Hemiselulosa relatif lebih mudah dihidrolisis dengan asam menjadi monomer yang mengandung glukosa, manosa, galaktosa, xilosa dan arabinosa. Hemiselulosa mengikat lembar-lembar selulosa membentuk mikrofibril yang meningkatkan stabilitas dinding sel tanaman. Hemiselulosa juga berikatan silang dengan lignin membentuk jaringan kompleks dan memberikan struktur yang kuat.

2.2 Saccharomyces cerevisiae

S. cerevisiae merupakan suatu khamir sel tunggal unicellular yang berukuran 5 – 10 m, berbentuk bulat, silindris, atau oval. S. cerevisiae digunakan untuk produksi etanol pada kondisi anaerob. Klasifikasi S. cerevisiae adalah sebagai berikut: dunia : Fungi filum : Ascomycotina sub filum : Saccharomycotina kelas : Saccharomycetes ordo : Saccharomycetales famili : Saccharomycetaceae genus : Saccharomyces spesies : Saccharomyces cerevisiae Semua galur dari S. cerevisiae dapat tumbuh secara aerobik di dalam media glukosa, maltosa dan trehalosa namun tidak dapat hidup di dalam laktosa dan selobiosa. Kemampuan untuk hidup dan menggunakan berbagai jenis gula akan berbeda-beda yang dipengaruhi oleh kondisi aerobik atau anaerobik, beberapa galur tidak dapat tumbuh secara anaerobik di media sukrosa dan trehalosa. Semua galur dari S. cerevisiae dapat menggunakan amonia dan urea sebagai sumber nitrogen tetapi tidak dapat menggunakan nitrat karena ketidakmampuannya untuk mereduksi menjadi ion amoniak. Khamir selain membutuhkan unsur nitrogen juga memerlukan unsur fosfor dan unsur logam seperti magnesium, besi, kalsium dan seng untuk pertumbuhannya. Untuk dapat bertahan hidup, S. cerevisiae membutuhkan nutrien yang diperoleh dari medium perkembangbiakkannya seperti NH 4 2 SO 4 , MgSO 4 .7H 2 O, KCl, CaCl 2 , P 3 PO 4 5 , ekstrak ragi, air, dan glukosa. S. cerevisiae merupakan mikroorganisme yang dapat dikultivasi pada kondisi aerobik dan anaerobik, produk yang dihasilkan pada kedua kondisi tersebut berbeda. S. cerevisiae pada kondisi aerobik akan menghasilkan individu baru, sedangkan pada kondisi anaerobik dihasilkan produk utama yang dapat berupa etanol dimana hasilnya tergantung pada konsentrasi awal biomassa. Setiap individu sel juga dapat dipandang sebagai fermentor dalam skala mikroskopik. Reaksi-reaksi ini terjadi secara simultan dan diatur oleh pengontrol dari internal sel itu sendiri. Kontrol ini mengatur sel untuk memodifikasi laju reaksi dan kemampuan memproduksi berdasarkan pada lingkungan dan ketersediaan nutrisi. Lebih dari itu, pertumbuhan populasi sel juga menunjukan keheterogenan sel. Setiap individu sel dapat memiliki tahap pertumbuhan yang berbeda. Aktifitas metabolisme sel untuk setiap fasa berbeda. Reaksi fermentasi tergantung pada gula yang digunakan dan hasil produksi. Substrat yang paling umum digunakan pada fermentasi adalah glukosa C 6 H 12 O 6 dan menghasilkan dua molekul etanol C 2 H 5 OH, ini adalah reaksi dari ragi, dan sering digunakan dalam produksi makanan. Gula glukosafruktosa  Alkohol etanol + Karbon dioksida + energiATP Faktor-faktor yang mempengaruhi pertumbuhan dari khamir ini antara lain: a. Kondisi lingkungan Suhu, pH, dan oksigen terlarut Dissolved Oxygen-DO merupakan faktor kondisi lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme. Oleh karena itu, perlu diatur sedemikian rupa agar pertumbuhan biomassa dapat optimal. Khamir bersifat anaerobik fakultatif. Khamir dalam kondisi anaerobik akan melakukan proses fermentasi dengan mengkonversi glukosa menjadi etanol, sedangkan khamir akan menjalani fase pertumbuhan dengan keadaan sedikit oksigen. Kadar oksigen yang dibutuhkan oleh khamir untuk