Tahap Fermentasi PROSES PEMBUATAN BIOETANOL

sederhana. Disebut sederhana karena hanya melibatkan satu fase pertumbuhan dan produksi, pada fase tersebut glukosa diubah secara simultan menjadi biomassa, etanol dan CO 2 [31]. Selanjutnya ragi akan menghasilkan etanol sampai kandungan etanol dalam tangki mencapai 8-12 biasa disebut cairan beer, dan kemudian ragi tersebut akan menjadi tidak aktif, karena kelebihan etanol akan berakibat racun bagi ragi. Tahap ini menghasilkan gas CO 2 sebagai produk samping dan sludge sebagai limbahnya [11]. Berikut adalah reaksi pembentukan etanol menjadi glukosa: C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 Glukosa Etanol Karbondioksida Gambar 2.3 Reaksi Pembentukan Bioetanol [31] Fermentasi dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk suhu, pH, sifat dan komposisi medium, O 2 terlarut, CO 2 terlarut, sistem operasional misalnya batch, fed batch, kontinu, pencampuran, dan kecepatan dalam fermentor. Variasi faktor-faktor ini dapat mempengaruhi: tingkat fermentasi, spektrum produk dan hasil, sifat organoleptik produk penampilan, rasa, bau dan tekstur, kualitas gizi, dan sifat fisika-kimia [32]. Tahapan dalam proses fermentasi dapat dibagi menjadi [33]: 1. Pengolahan hulu yang melibatkan persiapan medium cair, pemisahan partikulat dan bahan kimia hambat dari media, sterilisasi, pemurnian udara. 2. Fermentasi yang melibatkan konversi substrat untuk produk yang diinginkan dengan bantuan agen biologis seperti mikroorganisme. 3. Pengolahan hilir yang melibatkan pemisahan sel dari kaldu fermentasi, pemurnian dan konsentrasi produk yang diinginkan dan pembuangan limbah atau daur ulang. Pengendalian Kondisi Fermentasi Faktor-faktor yang mempengaruhi proses fermentasi adalah : 1 Suhu Khamir akan tumbuh pada suhu 30 sampai 35 o C. Adapun proses fermentasi yang optimum terjadi pada suhu tinggi yaitu antara 30-38 o C. Selama proses fermentasi, akan dihasilkan ATP yang menghasilkan panas, sehingga terjadi kenaikan suhu. Kenaikan suhu selama fermentasi tersebut akan menurunkan ketahanan khamir terhadap alkohol yang dihasilkan, sehingga mempercepat pembentukan asam asetat yang bersifat racun. Suhu yang terlalu tinggi akan menyebabkan rendahnya etanol yang diperoleh, yang berhubungan dengan kinerja khamir. Sebaliknya, suhu yang terlalu rendah akan menyebabkan proses fermentasi berjalan lambat dan tidak ekonomis. Oleh karena itu, suhu harus dipertahankan pada titik optimum sehingga aktivitas metabolik sel dan pertumbuhan berjalan secara optimum [12]. Seperti penelitian yang dilakukan Torija et all, temperatur tidak hanya mempengaruhi kinetika fermentasi laju dan lama fermentasi, tetapi juga metabolisme dari khamir ragi itu sendiri. Pertumbuhan khamir pada suhu 25-30 o C merupakan pertumbuhan khamir yang terbaik tetapi setelah meningkatnya suhu terjadi penurunan pertumbuhan khamir tersebut. Ini membuktikan bahwa suhu sangat mempengaruhi proses fermentasi sehingga suhu harus diperhatikan [34]. 2 pH pH media berguna untuk mengatur aktifitas fermentasi dan pertumbuhan mikroba di dalamnya. Selain itu pH juga berfungsi untuk menghentikan kegiatan fermentasi bila dianggap telah cukup. Pada pH di bawah 3,0 proses fermentasi akan berkurang kecepatannya dan pH optimum untuk fermentasi dalah 4,5 – 5,0. Pengaturan keasaman dapat dibantu dengan penambahan larutan bufer sehingga fluktuasi keasaman tidak terlalu besar [31]. 3 Oksigen Ketersediaan oksigen berpengaruh besar dalam fermentasi karena oksigen tersebut dapat menjadi penentu tipe aktivitas mikroba. Mikroba yang digunakan dalam fermentasi adalah jenis mikroba fermentasi kuat dan mempunyai aktifitas respirasi yang rendah. Ketersediaan oksigen dapat dikurangi dengan sistem isolasi udara. Selain dengan mengisolasi udara, dapat pula diberikan sejumlah kapang yang dapat digunakan untuk menutup permukaan sehingga mengambil sebagian besar oksigen yang tersedia. Untuk menjaga kondisi aerasi selama fermentasi maka medium fermentasi dapat ditutup dengan kapas, busa, atau bahan lain yang tidak menghambat aliran udara [31]. 4 Unsur Hara Umumnya khamir membutuhkan unsur C, H, O, N, P, K, Mg dan Ca dalam jumlah yang cukup besar sedangkan unsur Fe dan Cu dibutuhkan dalam jumlah yang kecil. Kebutuhan akan unsur nitrogen dapat diperoleh dari garam-garam ammonium, asam amino, pepton dan peptida. Bentuk ammonium merupakan bentuk yang paling mudah dipergunakan oleh khamir [31]. 5 Media Fermentasi Proses fermentasi adalah pembentukan etanol dan karbon dioksida dari glukosa dengan bantuan khamir. Jika konsentrasi gula dalam substrat terlalu tinggi maka etanol yang terbentuk akan menghambat aktivitas khamir, sehingga waktu fermentasi menjadi lebih lama dan efisiensi menjadi lebih rendah, karena tidak semua gula dikonversi menjadi etanol. Konsentrasi gula yang terlalu rendah menjadikan proses tidak ekonomis, karena penggunaan fermentor tidak efisien [31]. 6 Pengadukan Pengadukan berfungsi untuk meratakan kontak sel dan substrat, menjaga agar mikroorganisme tidak mengendap di bawah dan meratakan temperatur di seluruh bagian bioreaktor. Oleh karena itu pemilihan jenis pengaduk dan kecepatan pengaduk yang tepat diharapkan dapat menunjang fungsi pengadukan sehingga dapat meningkatkan hasil fermentasi [35].

2.2.3 Tahap Pemurnian

Tahap produksi bioetanol selanjutnya adalah pemurnian. Tahap pemurnian dilakukan untuk memperoleh kadar bioetanol yang lebih tinggi dari hasil fermentasi. Proses pemurnian bioetanol meliputi distilasi untuk memperoleh kadar bioetanol 95 dan dehidrasi untuk memperoleh kadar etanol yang lebih tinggi mencapai 99 atau fuel grade. Namun sebelum proses pemurnian perlu dilakukan pemisahan padatan cairan, untuk menghindari clogging selama proses pemurnian [11]. Pada tahap pemurnian bioetanol, proses yang sering digunakan adalah proses distilasi. Distilasi adalah salah satu metode dari pemurnian dengan cara memisahkan dua atau lebih komponen-komponen dalam suatu cairan berdasarkan perbedaan tekanan uap masing-masing komponen. Pada proses distilasi bioetanol, larutan fermentasi yang terdiri dari campuran etanol, air dan bahan-bahan lainnya dipisahkan pada tekanan atmosfir dengan suhu tertentu. Pada suhu 100 o C air mendidih dan akan menguap, sedangkan etanol mendidih pada suhu sekitar 77 o C. Perbedaan titik didih inilah yang memungkinkan pemisahan campuran etanol dan air. Jika larutan campuran etanol- air dipanaskan, maka lebih banyak molekul etanol menguap daripada air. Bioetanol yang dikeluarkan dari tangki fermentasi, dikirim ke kolom distilasi untuk dipisahkan dari air dan bahan-bahan pengotor lainnya. Untuk memperoleh bioetanol dengan kemurnian lebih tinggi dari 99,5 atau yang umum disebut fuel based ethanol. Masalah yang timbul adalah sulitnya memisahkan hidrogen yang terikat dalam struktur kimia alkohol dengan cara distilasi biasa. Oleh karena itu untuk mendapatkan fuel based ethanol dilaksanakan pemurnian lebih lanjut [31]. Etanol merupakan cairan yang bersifat azeotropik dengan air. Untuk memperoleh etanol yang bebas air, azeotrop harus dipisahkan. Pemisahan alkohol dan air disebut proses dehidrasi. Metode dehidrasi yang biasa digunakan dalam pemisahan ini adalah distilasi azeotrop, desiccant kimiawi dan filtrasi monokuler [12]. • Distilasi azeotrop dapat dilakukan pada kolom distilasi berefluks dengan penambahan bahan pelarut, seperti benzen atau n-heksana. Dengan penambahan bahan tersebut azeotrop dapat dipisahkan dalam campuran dengan pemanasan pada proses distilasi sampai diperoleh etanol yang lebih murni. • Desiccant kimiawi, menggunakan bahan kimia yang bertujuan untuk memudahkan pemisahan etanol dan air. Biasanya bahan yang digunakan adalah kalsium oksida CaO, yang bereaksi dengan air sehingga menghasilkan panas yang dipertahankan pada sistem. • Pemisahan azeotrop air-etanol dapat juga dilakukan dengan metode filtrasi molekuler dengan bahan filter kristal alumunium sillika, yang akan mengabsorpsi molekul air yang lebih kecil daripada molekul etanol sehingga air dan etanol dapat dipisahkan.

2.3 PERALATAN YANG DIGUNAKAN DALAM PROSES PEMBUATAN BIOETANOL

2.3.1 Peralatan Proses Perlakuan Awal

Dalam proses pembuatan bioetanol dengan bahan baku lignoselulosa membutuhkan perlakuan awal baik secara biologi, kimia dan fisikmekanis. Perlakuan awal ini diperlukan misalnya untuk pengecilan ukuran, menghilangkan lignin, menurunkan derajat polimerisasi selulosa [11]. Pada tabel 2.1 dalam sub bab 2.2.1 telah dijabarkan macam-macam perlakuan awal bahan baku lignoselulosa untuk produksi bioetanol. Peralatan proses yang dibutuhkan untuk perlakuan awal bahan baku sesuai dengan perlakuan awal pre-treatment yang dipilih. Efisiensi pre-treatment dibutuhkan untuk memaksimalkan efisiensi hidrolisis enzimatis dan membantu mengurangi total kebutuhan ekonomi proses. Sebuah proses pre-treatment yang efektif dan ekonomis harus memenuhi persyaratan sebagai berikut [25]: • produksi serat selulosa reaktif atas serangan enzimatik • menghindari penghancuran hemiselulosa dan selulosa • menghindari pembentukan inhibitor mungkin bagi enzim hidrolisis dan fermentasi mikroorganisme