Optimasi konsentrasi molase dan ph terhadap produksi etanol hasil fermentasi pada suhu 28ºC oleh Saccharomyces cerevisiae - USD Repository
OPTIMASI KONSENTRASI MOLASE DAN PH TERHADAP PRODUKSI ETANOL HASIL FERMENTASI PADA SUHU 28 C OLEH Saccharomyces cerevisiae SKRIPSI
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Farmasi (S.Farm.)
Program Studi Ilmu Farmasi Oleh :
Ermin Setya Ningsih NIM : 058114127
OPTIMASI KONSENTRASI MOLASE DAN PH TERHADAP PRODUKSI
ETANOL HASIL FERMENTASI PADA SUHU 28 C
OLEH Saccharomyces cerevisiae
SKRIPSI
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Farmasi (S.Farm)
Program Studi Ilmu Farmasi Oleh :
Ermin Setya Ningsih NIM : 058114127
Segala perkara dapat kutanggung di dalam Dia yang memberi kekuatan kepadaku (Flp 4:13)
Kupersembahkan kepada: Jesus Kristus yang termulia
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertandatangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Ermin Setya Ningsih Nomor Mahasiswa : 058114127
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:
OPTIMASI KONSENTRASI MOLASE DAN PH TERHADAP PRODUKSI
ETANOL HASIL FERMENTASI PADA SUHU 28 C
OLEH Saccharomyces cerevisiae
beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di Yogyakarta,
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir berjudul Optimasi Konsentrasi Molase dan pH terhadap Produksi Etanol Hasil Fermentasi pada Suhu 28 C oleh Saccharomyces cerevisiae. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Strata Satu Program Studi Ilmu Farmasi (S.Farm) Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Penulisan tugas akhir ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Rita Suhadi, M.Si., Apt., selaku Dekan Fakultas Farmasi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta
2. Ibu Christine Patramurti, M.Si., Apt. selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membimbing penulis.
3. Ibu Maria Dwi Budi Jumpowati, S.Si. selaku ketua penelitian yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membimbing penulis.
4. Bapak Ignatius Yulius Kristio Budiasmoro, M.Si. selaku dosen penelitian yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membimbing penulis.
7. Winarto yang selalu mendukung, membantu dan memberi semangat dan kekuatan kepada penulis dengan penuh cinta.
8. Yuna, Prima, Imel, Reni, Pipit, Angel atas kerja sama dan bantuannya dalam menyelesaikan penelitian ini.
9. Mas Rian yang selalu meluangkan waktu untuk membantu dan memberi dukungan pada penelitian yang dilakukan penulis.
10. Ceci sebagai sahabat yang selalu mendukung dan membantu penulis dalam menyelesaikan penelitian ini.
11. Teman-teman Shoufang (Linna, Dewi, Mia, Widia, dll) atas dukungannya kepada penulis.
12. Teman-teman kelompok C (Yokhe, Ester, Hendra, Uli, dll) atas kerja sama dan dukungannya dalam menyelesaikan penelitian ini.
13. Teman-teman angkatan 2005 khususnya kelas C.
14. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Penulis mengakui bahwa karya tulis ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala kritik dan saran yang membangun akan penulis terima dengan senang hati. Akhir kata, semoga tugas akhir ini berguna bagi semua pihak dan dapat menjadikan bahan kajian lebih lanjut.
Yogyakarta, Januari 2009
INTISARI
Etanol merupakan salah satu produk fermentasi. Bahan baku yang digunakan adalah molase (tetes tebu) sebagai media yang digunakan untuk fermentasi etanol. Mikrobia yang digunakan adalah Saccharomyces cerevisiae yang akan menghasilkan enzim invertase dan zymase. Enzim invertase akan mengubah sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa sedangkan enzim zymase akan mengubah glukosa dan fruktosa menjadi etanol.
Faktor-faktor lingkungan yang mempengaruhi fermentasi adalah suhu, konsentrasi molase dan pH. Pada penelitian ini dilakukan optimasi proses fermentasi dengan 3 variasi konsentrasi molase dan pH. Konsentrasi molase yang digunakan adalah 8 Brix, 16 Brix dan 24 Brix sedangkan pH yang digunakan adalah 4, 4.5, dan 5. Dari variasi konsentrasi molase dan pH tersebut didapatkan 9 macam perlakuan fermentasi. Penelitian ini termasuk jenis penelitian kuasi eksperimental yang bertujuan untuk mengetahui faktor yang berpengaruh paling dominan antara konsentrasi molase, pH dan interaksi keduanya dalam menentukan kadar etanol hasil fermentasi dan mengetahui ada tidaknya area optimum kondisi fermentasi (konsentrasi molase dan pH) pada contour plot yang diprediksikan menghasilkan kadar etanol yang optimum. Pada penetapan kadar etanol perlu dilakukan distilasi hasil fermentasi untuk memisahkan etanol dari komponen-komponen lain, kemudian etanol hasil distilasi ditetapkan kadarnya menggunakan kromatografi gas.
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa konsentrasi molase berpengaruh paling dominan dalam menentukan kadar etanol hasil fermentasi. Dari contour
plot diperoleh area optimum yaitu pada konsentrasi molase 22,322 Brix - 24 Brix
dan pH 4-5 yang diprediksi sebagai kondisi optimum (konsentrasi molase dan pH) fermentasi yang menghasilkan kadar etanol optimum. Kata kunci : etanol, fermentasi, molase, Saccharomyces cerevisiae
ABSTRACT
Ethanol is a product of fermentation. Material being used is molasses as the fermentation medium. Microbial being used is Saccharomyces cerevisiae which produce invertase and zymase enzyme. Invertase enzyme changes sucrose to be glucose and fructose. Zymase enzyme changes glucose and fructose to be ethanol.
Factors that influence the fermentation are temperature, pH and molasses concentrations. The aim of this research was fermentation optimization process with 3 concentrations molasses and pH variations. Molasses concentrations used were 8 Brix, 16 Brix, and 24 Brix. The pH used were 4; 4.5; and 5. The aim of this quasi experimental research were to determine the dominant factor among molasses concentration, pH and its interactions on ethanol concentration from fermentation process and to determine optimum area on the fermentation condition (molasses concentrations and pH) at the contour plot. In determining the ethanol concentration, had to distillate the yield fermentation to separate ethanol from another component than the distillated ethanol can be determined by gas chromatography.
The result showed that the molasses concentrations influence the ethanol concentration from fermentation process. The contour plot showed the optimum area (molasses concentration 22,322 Brix – 24 Brix and pH 4-5) that estimated as the optimum condition (molasses concentrations and pH) fermentation that optimum ethanol concentration. Keywords : ethanol, fermentation, molasses, Saccharomyces cerevisiae
DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL.................................................................................... i HALAMAN JUDUL........................................................................................ ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING............................................... iii HALAMAN PENGESAHAN.......................................................................... iv HALAMAN PERSEMBAHAN....................................................................... v PERNYATAAN KEASLIAN KARYA........................................................... vi LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI........................... vii KATA PENGANTAR...................................................................................... viii
INTISARI......................................................................................................... x
ABSTRACT ....................................................................................................... xi
DAFTAR ISI.................................................................................................... xii DAFTAR TABEL............................................................................................ xvi DAFTAR GAMBAR........................................................................................ xvii DAFTAR LAMPIRAN.................................................................................... xviii BAB I. PENGANTAR.....................................................................................
1 A. Latar Belakang.................................................................................
1 1. Perumusan masalah....................................................................
2
2. Tujuan khusus.............................................................................
3 BAB II. PENELAAHAN PUSTAKA.............................................................
4 A. Etanol (C
2 H 5 OH)..........................................................................
4 B. Fermentasi……………………………………………………….
5
1. Tinjauan umum………………………………………………
5 2. Faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi………………...
9
3. Media fermentasi………………………………………………
10 4. Yeast…………………………………………………………...
11 C. Distilasi………………………………………………………….
13 D. Kromatografi Gas……………………………………………….
15 1. Tinjauan umum………………………………………………...
15
2. Komponen-komponen kromatografi gas………………………
15 E. Metode Desain Faktorial...............................................................
19 1. Tinjauan umum...........................................................................
19
k 2. Desain faktorial tiga level (3 )....................................................
20 F. Landasan Teori..............................................................................
21 G. Hipotesis.......................................................................................
22 BAB III. METODOLOGI PENELITIAN........................................................
23 A. Jenis Rancangan Penelitian..........................................................
23
D. Alat Penelitian..............................................................................
24 E. Tata Cara Penelitian......................................................................
25 1. Pengambilan sampel...................................................................
25 2. Pembuatan larutan media...........................................................
25 3. Tahap produksi etanol oleh S. Cerevisiae..................................
26 4. Penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi………………...
28 F. Analisis Hasil……………………………………………………
30 1. Uji ANOVA................................................................................
30 2. Desain Faktorial.........................................................................
30 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN……………………………………
31 A. Pemilihan Sampel……………………………………………….
31 B. Fermentasi……………………………………………………….
31 C. Distilasi………………………………………………………….
35 D. Optimasi Kromatografi Gas……………………………………..
36 E. Validasi Metode Kromatografi Gas..............................................
40 1. Pembuatan kurva baku...............................................................
40 2. Penentuan akurasi dan presisi.....................................................
41 F. Penetapan Konsentrasi Etanol Hasil Fermentasi...........................
42 G. Optimasi Kondisi Fermentasi.......................................................
46
LAMPIRAN………………………………………………………………….
52 BIOGRAFI PENULIS………………………………………………………..
73
DAFTAR TABEL
Tabel I. Komposisi molase (%) .......................................................................... 11 Tabel II. Rancangan percobaan desain faktorial dengan dua faktor dan tiga level ...................................................................................................... 20 Tabel III. Pembuatan larutan molase ................................................................... 26 Tabel IV. Variasi pH dan konsentrasi molase ...................................................... 27 Tabel V. Pembuatan seri larutan baku etanol ..................................................... 29 Tabel VI. Pembuatan larutan untuk penentuan akurasi dan presisi ..................... 29 Tabel VII. Kurva baku etanol dengan standar internal n-butanol ......................... 40 Tabel VIII. Hasil penentuan akurasi dan presisi ...................................................... 42 Tabel IX. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi ........................... 43 Tabel X. Efek konsentrasi molase, pH dan interaksi keduanya dalam menentukan konsentrasi etanol ............................................................ 44 Tabel XI. Hasil uji ANOVA ................................................................................ 45
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Fermentasi glukosa ................................................................................ 7 Gambar 2 Saccharomyces cerevisiae .................................................................... 12 Gambar 3 Kromatografi gas .................................................................................. 15 Gambar 4 Fermentor ............................................................................................. 27 Gambar 5 Grafik waktu fermentasi terhadap konsentrasi etanol ........................... 34 Gambar 6 Hasil optimasi kromatografi gas .......................................................... 36 Gambar 7 Interaksi fase diam dengan etanol dan butanol .................................... 38 Gambar 8 Hasil pemisahan heksan, etanol dan butanol ....................................... 39 Gambar 9 Hubungan antara konsentrasi etanol dan AUC etanol/AUC butanol .................................................................................................. 41 Gambar 10 Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi .......................... 43 Gambar 11 Hubungan konsentrasi molase (a) dan pH (b) terhadap konsentrasi etanol ................................................................................. 44 Gambar 12 Contour plot konsentrasi etanol hasil fermentasi.................................. 47
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Kromatogram optimasi kromatografi gas .............................................. 52 Lampiran 2. Kromatogram seri kurva baku ............................................................... 52 Lampiran 3. Hasil perhitungan kurva baku ............................................................... 55 Lampiran 4. Hasil perhitungan akurasi dan presisi ................................................... 56 Lampiran 5. Perhitungan pembuatan larutan molase ................................................ 56 Lampiran 6. Hasil perhitungan konsentrasi etanol hasil fermentasi dengan waktu inkubasi yang berbeda ............................................................... 57 Lampiran 7. Kromatogram konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 8 Brix dan pH 4 ............................................................... 58 Lampiran 8. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 8 Brix dan pH 4 .............................................................. 59 Lampiran 9. Kromatogram konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 8 Brix dan pH 4,5 ........................................................... 59 Lampiran 10. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 8 Brix dan pH 4,5 ............................................................ 60
Lampiran 12. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 8 Brix dan pH 5 .............................................................. 61 Lampiran 13. Kromatogram konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 16 Brix dan pH 4 ............................................................. 61 Lampiran 14. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 8 Brix dan pH 5 .............................................................. 62
Lampiran 15. Kromatogram konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 16 Brix dan pH 4,5 .......................................................... 62 Lampiran 16. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 16 Brix dan pH 4,5 ........................................................ 63
Lampiran 17. Kromatogram konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 16 Brix dan pH 5 .............................................................. 63 Lampiran 18. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 16 Brix dan pH 5 ............................................................ 64 Lampiran 19. Kromatogram konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 24 Brix dan pH 4 ............................................................. 64
Lampiran 20. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 24 Brix dan pH 4 ............................................................ 65
Lampiran 22. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 24 Brix dan pH 4,5 ......................................................... 66 Lampiran 23. Kromatogram konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 24 Brix dan pH 5 ............................................................ 66 Lampiran 24. Hasil penetapan konsentrasi etanol hasil fermentasi pada konsentrasi 24 Brix dan pH 5 ............................................................. 67 Lampiran 25. Hasil perhitungan konsentrasi etanol (ml/100 ml) hasil fermentasi ............................................................................................. 67 Lampiran 26. Hasil perhitunagn rata-rata konsentrasi etanol hasil fermentasi .......... 68
Lampiran 27. Hasil perhitungan ANOVA ........................................... 68 Lampiran 28. Hasil perhitungan optimasi kondisi fermentasi dengan metode desain faktorial ................................................................................... 70
BAB I PENGANTAR A. Latar Belakang Fermentasi merupakan proses pemecahan karbohidrat dan asam amino
secara anaerob, yaitu tanpa memerlukan oksigen. Salah satu produk yang dapat dihasilkan dari proses fermentasi adalah etanol (Fardiaz, 1992).
Di Indonesia banyak industri yang menghasilkan etanol dari proses fermentasi, salah satunya Pabrik Gula dan Alkohol / Spiritus Madukismo (PG-PS Madukismo). Bahan baku yang digunakan oleh PG-PS Madukismo adalah tetes tebu (molase), yang merupakan hasil samping dari PG Madukismo. Molase tersebut difermentasi menjadi etanol dengan bantuan S. cerevisiae. Proses ini telah dilakukan sejak tahun 1955. Kadar etanol yang dihasilkan dari proses fermentasi di PG-PS Madukismo dikatakan belum optimum karena produk yang dihasilkan 70% berupa alkohol murni (konsentrasi 95%) dan 30% berupa alkohol teknis (konsentrasi 94%). Oleh karena itu perlu dilakukan suatu upaya untuk mencapai kondisi fermentasi yang optimal, yaitu kondisi fermentasi yang dapat menghasilkan etanol dengan kadar yang lebih tinggi.
Menurut Stark dalam Alico (1982), proses fermentasi dipengaruhi oleh
Penelitian mengenai optimasi konsentrasi molase dan pH terhadap produksi alkohol hasil fermentasi dilakukan pada 3 variasi suhu (28 C, 31 C dan
35 C) yang dilakukan oleh 3 peneliti. Pada penelitian ini dilakukan optimasi konsentrasi molase dan pH terhadap produksi alkohol hasil fermentasi pada suhu
28 C oleh S. cerevisiae menggunakan molase dan S. cerevisiae dari PG-PS Madukismo. Fermentasi dilakukan pada suhu 28
C, 31 C dan 35 C karena menurut Gaur (2006) fermentasi menggunakan S. cerevisiae dan molase dilakukan pada suhu lingkungan antara 25-35
C. Optimasi konsentrasi molase dan pH dilakukan dengan menggunakan metode desain faktorial. Dari penelitian ini diharapkan pada kondisi fermentasi (konsentrasi molase dan pH) yang optimum diperoleh kadar etanol yang optimum.
1. Perumusan masalah
a. Manakah faktor yang berperan dominan antara konsentrasi molase, pH dan interaksi keduanya dalam menentukan kadar etanol hasil fermentasi? b. Apakah dapat ditemukan area optimum kondisi fermentasi (konsentrasi molase dan pH) pada contour plot yang diprediksikan menghasilkan kadar etanol yang optimum?
2. Keaslian karya
Sejauh penelusuran pustaka yang dilakukan oleh penulis, penelitian
3. Manfaat penelitian
a. Manfaat teoritis. Menambah khasanah ilmu pengetahuan mengenai optimasi konsentrasi molase dan pH terhadap produksi etanol hasil fermentasi pada suhu 28ºC oleh S. cerevisiae.
b. Manfaat metodologis. Penelitian ini dapat menjadi acuan jika dilakukan penelitian mengenai optimasi konsentrasi molase dan pH terhadap produksi etanol hasil fermentasi oleh S. cerevisiae dengan menggunakan metode faktorial desain.
c. Manfaat praktis. Memberi informasi kepada PG-PS Madukismo mengenai kondisi fermentasi (konsentrasi molase dan pH) pada suhu 28ºC yang dapat menghasilkan kadar etanol yang optimum.
B. Tujuan Penelitian
1. Tujuan umum
Mengetahui pengaruh konsentrasi molase dan pH terhadap produksi alkohol hasil fermentasi pada suhu 28 C oleh S. cerevisiae.
2. Tujuan khusus
a. Mengetahui faktor yang berperan dominan antara konsentrasi molase, pH dan interaksi keduanya dalam menentukan kadar etanol hasil fermentasi.
BAB II PENELAAHAN PUSTAKA A. Etanol (C H OH)
2
5 Etanol merupakan cairan yang bening, tidak berwarna, mudah mengalir,
mudah menguap, cairan higroskopis dengan karakteristik bau spiritus dan rasa membakar, mudah terbakar, terbakar dengan api biru tanpa asap. Titik didih etanol tercapai pada suhu 78
⁰C. Etanol bersifat larut dalam air, dalam kloroform, dalam eter, dalam gliserol, dan dalam hampir semua pelarut organik yang lain.
Penyimpanan dilakukan pada suhu 8 ⁰C sampai 15⁰C jauh dari api dalam wadah kedap udara dan terlindung dari cahaya (Anonim, 1999).
Etanol dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Setelah dicampurkan dalam gasoline, digunakan sebagai bahan bakar. Pada masa Perang Dunia I dan II industri alkohol berkembang pesat, dengan tujuan utama sebagai bahan bakar. Selain itu etanol banyak digunakan juga dalam industri minuman, kosmetik dan industri pharmasi seperti deterjen, desinfektan dan lain-lain (Maiorella dalam Ega, 2006).
Etanol untuk kebutuhan industri dapat dibuat secara fermentasi dari
Penerapan teknologi fermentasi etanol dalam skala industri, sejak Perang Dunia
II belum ada perubahan yang mendasar. Proses fermentasinya menggunakan system bacth dengan masa inkubasi berkisar 50 jam dan semata- mata mengandalkan strain yeast yang telah terpilih secara nyata berproduktivitas tinggi. Yeast mempunyai sifat selektivitas sangat tinggi untuk membentuk etanol (metabolit lain sebagai hasil samping sangat kecil) dan sangat tahan terhadap perubahan kondisi pertumbuhan atau gangguan kontaminasi (Maiorella dalam Ega, 2006).
B. Fermentasi
1. Tinjauan umum
Menurut Fardiaz (1992), fermentasi merupakan proses pemecahan karbohidrat dan asam amino secara anaerob, yaitu tanpa memerlukan oksigen.
Senyawa yang dapat dipecah dalam proses fermentasi terutama adalah karbohidrat sedangkan asam amino hanya dapat difermentasi oleh beberapa jenis bakteri tertentu.
Menurut Campbell (2002), fermentasi merupakan proses katabolik yang membuat sejumlah tertentu ATP dari glukosa tanpa rantai transport elektron dan yang menghasilkan produk akhir yang khas, seperti etil alkohol atau asam laktat. mikrobia dan substrat berada menjadi satu dalam media cair dalam jumlah yang besar (Riadi, 2007).
Empat jalur fermentasi pada mikrobia, yaitu :
a. jalur Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP) atau glikolisis ditemukan pada fungi dan kebanyakan bakteri, serta pada hewan dan manusia, b. jalur Entner-Doudoroff (ED) hanya ditemukan pada beberapa bakteri,
c. jalur Heksosamonofosfat (HMF) ditemukan pada berbagai organism,
d. jalur Fosfoketolase (FK) hanya ditemukan pada bakteri yang tergolong laktobasili heterofermentatif (Fardiaz,1992).
Fermentasi glukosa (jalur EMP) pada prinsipnya terdiri dari dua tahap:
a. pemecahan rantai karbon dari glukosa dan pelepasan paling sedikit dua pasang atom hidrogen menghasilkan senyawa karbon lainnya yang lebih teroksidasi daripada glukosa,
b. senyawa yang teroksidasi tersebut direduksi kembali oleh atom hidrogen yang dilepaskan dalam tahap pertama membentuk senyawa-senyawa lain sebagai hasil fermentasi. Reaksi oksidasi tidak dapat berlangsung tanpa reaksi reduksi yang seimbang. Oleh karena itu, jumlah atom hidrogen yang dilepaskan dalam tahap pertama fermentasi selalu seimbang dengan jumlah yang digunakan dalam tahap kedua (Fardiaz, 1992).
Proses fermentasi glukosa melalui jalur glikolisis adalah sebagai berikut :
Gambar 1. Fermentasi glukosa (Anonim, 2008)
Reaksi dalam fermentasi berbeda-beda tergantung pada jenis gula yang digunakan dan produk yang dihasilkan. Secara singkat, glukosa (C
6 H
12 O 6 ) yang
merupakan gula paling sederhana, melalui fermentasi akan menghasilkan (2C
2 H
5 OH). Reaksi fermentasi ini dilakukan oleh yeast, dan digunakan pada Jalur biokimia yang terjadi, sebenarnya bervariasi tergantung jenis gula yang terlibat, tetapi umumnya melibatkan jalur yang merupakan bagian dari tahap awal pada sebagian besar organisme. Jalur terakhir akan bervariasi tergantung produk akhir yang dihasilkan (Anonim, 2008).
Proses fermentasi dilakukan dalam sebuah bejana yang disebut dengan bioreaktor atau fermentor. Umpan yang masuk ke fermentor disebut substrat.
Substrat utama adalah sumber karbon yang digunakan oleh mikrobia untuk memberikan energi untuk pertumbuhan dan produksi produk akhir. Mikrobia juga membutuhkan nutrisi lainnya. Nutrisi yang umum adalah sulfur, fosfor, potassium, magnesium, nitrogen dan mineral-mineral lainnya tergantung pada spesifik organisme. Nutrisi ini ditambahkan ke dalam fermentor dalam bentuk garam mineral yang dilarutkan dalam air, nitrogen ditambahkan dalam bentuk ammonia. Sel yang hidup membutuhkan oksigen untuk fermentasi menggunakan mikrobia aerob disuplai gelembung udara ke dalam fermentor. Fermentasi dengan menggunakan mikrobia anaerob dilakukan dengan tidak adanya udara (Riadi, 2007).
Proses fermentasi mempunyai enam komponen dasar, yaitu :
a. susunan medium yang digunakan selama pengembangan inokulum dan di dalam fermentor, d. pertumbuhan mikrobia dalam fermentor produksi pada kondisi optimum untuk pembentukan hasil, e. ekstraksi produk dan pemurnian, dan f. penanganan limbah yang dihasilkan selama proses (Hidayat dkk, 2006).
Metabolit hasil fermentasi selain diambil produk metabolitnya, secara tradisional telah dikonsumsi atau dimanfaatkan oleh manusia bersama-sama dengan substratnya yang disebut biomassa mikrobia, misalnya pada gari, growol, kecap, tapai, tauco, tempe, terasi (Hidayat dkk, 2006).
2. Faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi
a. Nutrisi (zat gizi). Dalam kenyataannya yeast memerlukan penambahan nutrisi untuk pertumbuhan dan perkembangbiakan, misalnya: unsur karbon (terdapat pada karbohidrat), unsur nitrogen (dengan penambahan pupuk yang mengandung nitrogen, urea, ammonia, pepton, dan sebagainya), unsur phosphor (dengan penambahan pupuk phosphat dari NPK, TSP), mineral-mineral, vitamin-vitamin (Harahap, 2003).
b. Keasaman (pH). Untuk fermentasi alkohol, yeast memerlukan media suasana asam, yaitu antara pH 4,8-5,0. pH sangat berpengaruh dalam proses fermentasi. Fermentasi di luar range pH tersebut dapat menghambat pertumbuhan yeast dan cocok untuk pertumbuhan bakteri kontaminan (Harahap, lingkungan yaitu 25-35
C. Suhu berpengaruh pada pertumbuhan, metabolisme, kelangsungan organisme pemfermentasi dan proses fermentasi. Suhu berpengaruh pada parameter kinetik fermentasi etanol melalui pengendapan yeast. Suhu yang terlalu tinggi mengakibatkan penurunan jumlah etanol dan yeast (Gaur, 2006). Pada waktu fermentasi, terjadi kenaikan panas. Oleh karena itu perlu pendinginan supaya suhu dipertahankan tetap (Harahap, 2003).
d. Udara. Fermentasi alkohol berlangsung secara anaerob (tanpa udara). Namun demikian udara diperlukan pada proses pembibitan sebelum fermentasi, untuk pengembangbiakan yeast (Harahap, 2003).
3. Media fermentasi
Media yang digunakan untuk fermentasi harus dapat digunakan oleh sel untuk pertumbuhan optimal sel dan pembentukan produk. Selain itu juga harus dapat digunakan untuk pemeliharaan sel, dan untuk biosintesa. Oleh sebab itu dalam formulasi media, komponen-komponen yang harus dipenuhi antara lain air (sumber utama), sumber energi (sinar matahari), sumber karbon (glukosa, laktosa, molase), sumber nitrogen (inorganik: NH , garam ammonia (NH Cl) atau nitrat
3
4
dan organik: asam amino, protein, urea), mineral (magnesium (Mg), phospor (P), kalium (K), sulfur (S), kalsium (Ca)), vitamin, dan prekursor yang berfungsi mempercepat terbentuknya produk (Hidayat dkk, 2006).
Molase sebagai media fermentasi merupakan hasil samping industri gula. Molase tebu kaya akan biotin, asam pantotenat, tiamin, fosfor, dan sulfur. Mengandung 62% gula yang terdiri dari sukrosa 32%, glukosa 14%, dan fruktosa 16% (Hidayat dkk, 2006). Komposisi molase adalah sebagai berikut:
Tabel I. Komposisi molase (%)
Komponen Persentase (%)Air 17-25 Sukrosa 30-40
Dekstrosa 4-9 Fruktosa 5-12
Gula reduksi lain 1-5 Karbohidrat lain 2-5
Abu 7-15 Senyawa nitrogen 2-6
Asam-asam non-nitrogen 2-8 Lilin, sterol, dan fosfolipid 0,1-1
Molase berbeda dengan bahan baku yang umum digunakan dalam produksi alkohol seperti jagung dan kentang. Jagung dan kentang mengandung karbohidrat yang disimpan sebagai pati sehingga harus mengalami perlakuan awal dengan memasakkan dan kerja enzim untuk menghidrolisis pati menjadi gula yang dapat difermentasi, sebaliknya karbohidrat dalam molase telah siap untuk difermentasi tanpa perlakuan pendahuluan karena berbentuk gula (Hidayat dkk, 2006).
4. Yeast
oval, silinder, ogival yaitu bulat panjang dengan salah satu ujung runcing (Fardiaz,1992).
Gambar 2. Saccharomyces cerevisiae (Anonim, 2007)
Saccharomyces cerevisiae termasuk jenis Saccharomyces yang berbentukbulat, oval, atau memanjang, dan mungkin membentuk pseudomiselium (Fardiaz,1992). Saccharomyces cerevisiae merupakan salah satu sel yeast jenis
Saccharomyces yang paling popular dalam pengolahan makanan. Yeast ini telah
lama digunakan dalam industri wine dan bir. Yeast ini melakukan reproduksi vegetatif dengan membentuk tunas. Sel berbentuk ellipsoid atau silinder. Dapat membentuk pseudohifa tetapi hifa tidak bersepta. Yeast ini tidak mampu tumbuh pada nitrat sebagai satu-satunya sumber nitrogen (Hidayat dkk, 2006).
Dalam industri fermentasi, mikrobia merupakan faktor utama, sehingga harus memenuhi beberapa persyaratan.
a. Murni. Proses-proses tertentu harus menggunakan biakan murni (dari dengan hasil yang besar. Sifat unggul yang ada harus dapat dipertahankan. Hal ini berkaitan dengan kondisi proses yang diharapkan.
c. Stabil. Pada kondisi yang diberikan mikrobia harus memiliki sifat- sifat yang tetap, tidak mengalami perubahan karena mutasi atau lingkungan.
d. Bukan pathogen. Mikrobia yang digunakan haruslah yang bukan patogen bagi manusia maupun hewan, terkecuali untuk bahan kimia tertentu. Jika digunakan, mikrobia patogen harus dijaga agar tidak menimbulkan akibat samping pada lingkungan (Hidayat dkk, 2006).
C. Distilasi
Distilasi merupakan metode pemisahan zat-zat cair dari campurannya berdasarkan perbedaan titik didih (Yazid, 2005). Terdapat beberapa macam distilasi.
a. Distilasi sederhana. Distilasi sederhana digunakan untuk memisahkan zat cair yang titik didihnya rendah, atau memisahkan zat cair dengan zat padat atau minyak. Proses ini dilakukan dengan mengalirkan uap zat cair tersebut melalui kondensor lalu hasilnya ditampung dalam suatu wadah (Anonim, 2008).
Pada proses distilasi sederhana, suatu campuran dapat dipisahkan bila zat-zat penyusunnya memiliki perbedaan titik didih yang cukup tinggi (Yazid, 2005). b. Distilasi bertingkat (fraksionasi). Proses ini digunakan untuk komponen yang memiliki titik didih yang berdekatan. Pada dasarnya sama dengan distilasi sederhana, hanya saja memiliki kondensor yang lebih banyak sehingga mampu memisahkan dua komponen yang memiliki perbedaan titik didih. Pada proses ini akan didapatkan substansi kimia yang lebih murni, kerena melewati kondensor yang banyak (Anonim, 2008).
c. Distilasi azeotrop. Digunakan dalam memisahkan campuran
azeotrop (campuran campuran dua atau lebih komponen yang sulit di pisahkan),
biasanya dalam prosesnya digunakan senyawa lain yang dapat memecah ikatan azeotrop tsb, atau dengan menggunakan tekanan tinggi (Anonim, 2008).
d. Distilasi vakum (distilasi tekanan rendah). Distilasi ini digunakan untuk zat yang tak tahan suhu tinggi atau rusak pada pemansan yang tinggi.
Sehingga dengan menurunkan tekanan maka titik didih juga akan menurun, maka distilasi yang tadinya harus dilakukan pada suhu tinggi tetap dapat dilakukan pada suhu rendah dengan menurunkan tekanan (Anonim, 2008).
e. Refluks / destruksi. Refluks / destruksi ini bisa dimasukkan dalam
macam-macam distilasi walau pada prinsipnya agak berlainan. Refluks dilakukan untuk mempercepat reaksi dengan jalan pemanasan tetapi tidak akan mengurangi jumlah zat yang ada. Dimana pada umumnya reaksi-reaksi senyawa organik
D. Kromatografi Gas
1. Tinjuan umum
Kromatografi gas adalah suatu cara untuk memisahkan senyawa atsiri dengan meneruskan arus gas melalui fase diam. Bila fase diam merupakan zat padat disebut kromatografi gas-padat (KGP) sedangkan apabila fase diam berupa zat cair disebut sebagai kromatografi gas-cair (KGC) (Nair, 1988).
2. Komponen-komponen kromatografi gas
Komponen dasar kromatografi gas adalah suplai gas pembawa dengan pengatur tekanan dan pengendali aliran, tempat atau katup injeksi dan kemungkinan didukung dengan splitter, kolom pemisahan, detektor, oven yang diatur secara termostatis yang juga dapat diprogram untuk berbagai tingkat pemanasan, recorder atau alat pencatat yang lain (Dean, 1995).
Di bawah ini merupakan skema kromatografi gas:
Gambar 3. Kromatografi gas (Christian, 2004)
a. Gas pembawa. Syarat pemilihan gas pembawa adalah harus memiliki adalah helium tetapi gas ini mahal. Sedangkan hidrogen merupakan salah satu gas pembawa yang semakin banyak digunakan. Hidrogen dan helium memungkinkan analisis yang lebih cepat dibandingkan gas pembawa pekat seperti nitrogen atau argon. Kadang-kadang pemilihan gas pembawa ditentukan oleh detektor yang digunakan (Dean, 1995).
b. Sistem injeksi sampel. Fungsi dari port injeksi adalah untuk menyediakan jalan masuk untuk syringe dan sampel ke dalam aliran gas pembawa dan untuk menyediakan panas yang cukup untuk menguapkan sampel (Dean, 1995). Memasukkan sampel ke dalam tempat injeksi dengan menggunakan microsyringe melalui septum plastic silicon yang elastis (Dean, 1995).
Dalam kromatografi gas, biasanya sampel cair diinjeksikan melalui blok yang dipanaskan yang berfungsi untuk mengubah sampel cair menjadi fase gas secara cepat (flash vaporization) tanpa mengalami dekomposisi atau fraksinasi. Ruang flash vaporization dari port injeksi harus sekecil mungkin untuk meningkatkan efisiensi. Dibutuhkan volume yang cukup untuk mendapatkan penguapan dan pemuaian tiba-tiba dari sampel setelah penginjeksian (1µL
- 1 metanol menghasilkan 0,31 ml uap pada suhu 200 C dan 30 lb.in ) (Dean, 1995).
c. Kolom. Pemisahan komponen sampel terjadi dalam packed atau tubular column yang dilalui gas pembawa secara terus-menerus. Kolom alumunium), gelas atau fused silica (Dean,1995). Selektivitas dan efisiensi merupakan faktor-faktor yang harus dipertimbangkan ketika memilih kolom (Dean, 1995).
Kolom GC dapat dibagi dalam 3 kategori, yaitu Packed column, Open- tubular column, Mikropacked column.
d. Fase diam. Pemilihan fase diam berdasarkan pada polaritasnya, sesuai dengan prinsip “like dissolve like” yaitu fase diam polar akan berinteraksi dengan senyawa polar dan juga sebaliknya (Christian, 2004).
Resolusi akan didapatkan jika komponen dalam sampel dapat ditahan oleh fase diam. Retensi yang lebih lama dan selektif akan menghasilkan resolusi yang baik. Pada kromatografi gas, gas pembawa yang inert tidak berperan dalam selektivitas solute meskipun mempengaruhi resolusi. Selektivitas dapat divariasi hanya dengan mengubah polaritas fase diam atau mengubah suhu kolom (Dean, 1995).
e. Detektor. Setelah melalui kolom, komponen sampel masuk dalam detektor. Detektor harus memiliki karakteristik sebagai berikut : sensitivitas tinggi, tingkat kebisingan rendah, respon linier pada rentang dinamik yang luas, respon yang baik untuk semua kelas komponen organic, tidak sensitif pada variasi aliran dan perubahan temperature, stabil dan kuat, operasi yang sederhana (Dean,
Photoionization Detector, Electrolytic Conductivity Detector, dan
Chemiluminescence-Redox Detector (Dean, 1995).Flame-Ionization Detector (FID) adalah detektor yang paling popular karena memiliki sensitivitas yang tinggi (0,02 coulomb (C) per g hidrokarbon).
Respon Flame-Ionization Detector proposional terhadap gugus –CH
2 - yang
memasuki nyala. Respon terhadap karbon yang terikat pada gugus hidroksil dan amin lebih rendah. Respon tidak terjadi untuk karbon teroksidasi penuh seperti gugus karbonil atau karboksil dan gugus ether. Detektor ini tidak sensitif terhadap kelembaban dan gas-gas permanen. Hal ini memberi keuntungan untuk analisis sampel organik yang lembab dan polusi udara. Perubahan yang tidak begitu besar pada aliran, tekanan, atau temperatur hanya berefek kecil terhadap karakteristik respon yang dihasilkan. Suhu kolom yang digunakan dapat bervariasi 100-420
C, hal ini menguntungkan bagi analisis dengan suhu terprogram (Dean, 1995).
f. Pengaturan suhu. Suhu harus dimonitor, disesuaikan dan diatur pada tempat injeksi, di dalam oven mengelilingi kolom dan pada detektor (Dean, 1995).
Suhu injeksi harus relatif tinggi, konsisten dengan stabilitas suhu sampel, untuk memberikan kecepatan penguapan yang cepat agar sampel masuk kolom dalam volume kecil sehingga pelebaran dapat diturunkan dan hasil resolusi dapat ditingkatkan. Suhu injeksi yang terlalu tinggi akan menurunkan kualitas rubber lambat keluar dari fase diam dan terelusi lambat, resolusi meningkat tetapi sensitivitas menurun disebabkan oleh adanya pelebaran kurva. Suhu detektor harus cukup tinggi untuk mencegah kondensasi komponen sampel (Christian, 2004).
E. Metode Desain Faktorial
1. Tinjauan umum
Desain faktorial merupakan aplikasi persamaan regresi yaitu teknik untuk memberikan model hubungan antara variabel respon dengan satu atau lebih variabel bebas. Model yang diperoleh dari analisis tersebut berupa persamaan matematika (Bolton, 1997). Desain faktorial digunakan dalam penelitian di mana efek dari faktor atau kondisi yang berbeda dalam penelitian ingin diketahui (Bolton, 1997).
Penelitian desain faktorial dimulai dengan menentukan faktor dan level yang akan diteliti, serta respon yang akan diukur. Respon yang diukur harus dapat diekspresikan secara numerik. Deskripsi sifat (seperti besar, lebih besar, terbesar) dan nomor urut (seperti menunjukan respon terbesar adalah 1, selanjutnya 2, dan seterusnya) tidak dapat digunakan (Armstrong and James, 1996). Respon yang diukur harus dapat dikuantitatifkan (Bolton, 1997). k
menengah dan level tinggi. Desain faktorial ini juga disebut desain faktorial 3
k k
dengan jumlah percobaan sebanyak 3 . Penggunaan rancangan desain faktorial 3 ini biasanya untuk menyelesaikan masalah optimasi (Montgomery, 1997). Notasi- notasi yang digunakan dalam desain faktorial ini adalah
a. level rendah dinotasikan dengan -1 atau (-) atau 0,
b. level menengah dinotasikan dengan 0 atau 1, c. level tinggi dinotasikan dengan +1 atau (+) atau 2 (Montogomery, 1997).
Pada desain faktorial tiga level dan dua faktor diperlukan sembilan
k
percobaan (3 = 9, dengan 3 menunjukkan level dan k menunjukkan jumlah faktor). Rancangan percobaan desain faktorial dengan dua faktor dan tiga level seperti tabel II berikut :
Tabel II. Rancangan percobaan desain faktorial dengan
dua faktor dan tiga level
Faktor B Faktor A1
2
00
10
20
1
01
11
21
2
02
12
22 Keterangan : = level rendah 1 = level menengah
2 = level tinggi Rumusan yang berlaku :
Y = b + b
1 (X A ) + b 2 (X B ) + b 12 (X A )(X B )..................................................(2) b , b , b , b = koefisien, dapat dihitung dari hasil percobaan (Armstrong and
1
2
12 James, 1996; Bolton, 1997).
Dari rumus dan data yang diperoleh dapat dibuat contour plot suatu respon tertentu yang sangat berguna dalam memilih komposisi yang optimum.
Besarnya efek dapat dicari dengan menghitung selisih antara rata-rata respon pada level tinggi dan rata-rata respon pada level rendah (Bolton, 1997).
F. Landasan Teori
Fermentasi merupakan proses pemecahan karbohidrat dan asam amino secara anaerob, yaitu tanpa memerlukan oksigen. Senyawa yang dapat dipecah dalam proses fermentasi terutama adalah karbohidrat sedangkan asam amino hanya dapat difermentasi oleh beberapa jenis bakteri tertentu.
Fermentasi dapat berlangsung menggunakan molase sebagai media fermentasi. Molase dapat digunakan sebagai media fermentasi karena molase mengandung sukrosa, dekstrosa, asam-asam non-nitrogen, gula reduksi lain, karbohidrat lain, senyawa nitrogen, fruktosa. Dalam fermentasi diperlukan pula mikrobia sebagai biokatalis, yaitu S. cerevisiae. Reaksi dalam fermentasi berbeda- beda tergantung pada jenis gula yang digunakan dan produk yang dihasilkan.
Secara singkat, glukosa (C