ITS paper 32900 2309100083 Paper
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
1
Pemilihan Pelarut Ekstraksi Etanol dari Pelarut
Berbasis Alkohol pada Proses FermentasiEkstraktif
Yanuar Arief Prasetya, Mulan Nur Shabrina, dan Tri Widjaja
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: tri-w@chem-eng.its.ac.id
Abstrak—Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari secara
teoritis dan eksperimen pengaruh macam pelarut dan laju alir
pelarut terhadap kinerja packed column pada proses ekstraksi
etanol dari broth fermentasi yang dinyatakan dengan %recovery
etanol ekstraksi secara eksperimen dan pemodelan. Penelitian
dilakukan secara eksperimen dan permodelan dengan
menggunakan broth fermentasi dari molases. Pendekatan secara
teoritis dilakukan dengan mengembangkan model matematik
dalam menentukan %recovery ekstraksi. Pengembangan model
matematis membutuhkan data kesetimbangan dan transfer massa.
Koefisien distribusi etanol tiap pelarut diperoleh dari data
kesetimbangan yang didapatkan dari eksperimen kesetimbangan.
Model matematis yang digunakan diselesaikan secara numerik
menggunakan metode Euler modifikasi dengan aplikasi
MATLAB 6.1. Pelarut yang digunakan pada penelitian adalah namyl alcohol, iso-amyl alcohol dan 1-octanol yang divariasikan
laju alirnya 10-40 cm3/s. Penelitian secara eksperimen nantinya
akan divalidasi dengan hasil dari pendekatan teoritis
(permodelan). Dari hasil penelitian, didapatkan nilai koefisien
distribusi etanol untuk pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl alcohol,
dan 1-octanol adalah sebesar 0.7526, 0.7354 dan 0.6531. Untuk uji
toxisitas dari ketiga pelarut tersebut, pelarut 1-octanol bersifat
kurang menghambat pertumbuhan mikroorganisme (Zymomonas
Mobilis) yang ditunjukkan dengan hasil analisa konsentrasi gula
sisa dan pertumbuhan sel dimana pelarut 1-octanol memiliki hasil
yang paling besar dan banyak dibanding pelarut lainnya. Nilai
%recovery ekstraksi berkisar dari 28.34% hingga 38.09%,
19.62% hingga 35.74% dan 19.17% hingga 25.09% dengan laju
alir pelarut 10-40 cm3/s masing-masing untuk pelarut n-amyl
alcohol, iso-amyl alcohol dan 1-octanol menggunakan Raschig
Rings packing. Hasil tersebut divalidasi dengan pendekatan
teoritis dengan rata-rata kesalahan sebesar 9.87%, 7.86% dan
11.74% masing-masing untuk pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl
acohol dan 1-octanol.
Kata Kunci—broth fermentasi; ekstraksi; iso-amyl alcohol; namyl alcohol; 1-octanol.
karbohidrat dan asam amino secara anaerob. Peruraian dari
kompleks menjadi sederhana dengan bantuan mikroorganisme
sehingga menghasilkan energy [1].
Proses fermentasi merupakan salah satu cara yang telah
banyak dilakukan sebagai salah satu cara untuk mendapatkan
etanol dalam dunia industri. Mulai tahun 1980-an penelitipeneliti terdahulu seperti [2]-[7] melakukan upaya-upaya
untuk mengatasi permasalahan ini, salah satunya adalah
dengan mengusulkan proses fermentasi ekstraktif.
Etanol dapat diekstrak dari air dengan cara ekstraksi caircair. Etanol dapat larut dengan mudah kedalam cairan yang
tidak dapat bercampur dengan air. Dengan memanfaatkan
perbedaan kelarutan ini, maka etanol dapat direcover dengan
cara ekstraksi menggunakan pelarut, namun didalam proses
fermentasi ekstraktif, pelarut harus tidak bersifat racun
terhadap mikroorganisme. Pelarut yang umum digunakan oleh
peneliti-peneliti terdahulu [3]-[6] adalah organic acid, 1-amyl
alcohol, dibutylphtaalat dan n-dodecanol.
Beberapa peneliti telah memberikan urutan dari klasifikasi
solven berdasarkan pada perbandingan perfoma dari
eksperimen adalah:
Asam karboksilat > alkohol > ester > amine > ketone >
ether > hydrocarbon
Berdasarkan tingkat toksisitas dari alkohol terhadap yeast,
alkohol dengan berat molekul rendah (C2 sampai C10) adalah
toksik atau sebagai inhibitor, sedangkan alkohol dengan berat
molekul yang lebih besar tidak bersifat toksik [3].
Perbandingan performa dari ekstraksi ethanol ditampilkan
oleh 2 parameter, yakni koefisien transfer massa ethanol (KDE)
yang menunjukkan kapasitas pelarut untuk ethanol dan faktor
separasi () yang menunjukkan selektivitas pelarut untuk
ethanol terhadap air.
II. URAIAN PENELITIAN
I. PENDAHULUAN
ebutuhan energi dari bahan bakar minyak bumi (BBM)
berbasis fosil seperti solar, bensin dan minyak tanah di
berbagai negara di dunia dalam tahun terakhir ini mengalami
peningkatan tajam. Sedangkan ketersediaan cadangan sumber
BBM semakin terbatas. Salah satu sumber energi alternatif
yang terus dikembangkan adalah bioetanol. Etanol dapat
dihasilkan dari peragian atau fermentasi karbohidrat, dimana
prinsip pembentukan etanol adalah proses mikrobiologi untuk
memperoleh produk yang berguna, dimana terjadi pemecahan
K
A. Analisa Kesetimbangan
Performa dari ekstraksi ethanol dapat ditunjukkan oleh
koefisien kesetimbangan distribusi ethanol (KDE) yang
menunjukkan kapasitas pelarut untuk ethanol. Nilai KDE
menunjukkan kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut
alkohol. Waktu yang digunakan pada proses ekstraksi yaitu
10-15 menit karena pada waktu tersebut menghasilkan kadar
ethanol dan ketinggian fase interface yang tetap. Prosedur
yang dilakukan dalam pengambilan data koefisien transfer
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
2
massa ethanol antara pelarut dengan broth fermentasi
diperoleh dengan cara broth fermentasi dicampurkan dengan
pelarut pada perbandingan pelarut:broth 4:6, 6:4, 2:8, dan 8:2.
Kemudian campuran broth fermentasi dan pelarut dikocok
pada corong pemisah selama 10 menit untuk mencapai
kestimbangan dan diambil ekstrak dan rafinat yang akan
dianalisa kadar ethanolnya dengan menggunakan Gas
Chromatography.
B. Analisa Toxisitas
Analisa ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar
pengaruh dari macam-macam pelarut yang digunakan terhadap
pertumbuhan mikroorganisme agar nantinya apabila dilakukan
recycle pada proses fermentasi tidak meracuni mikroorganisme
tersebut. Analisa ini dilakukan dengan cara mencampurkan
larutan broth fermentasi yang telah berisi mikroorganisme
(Zymomonas mobilis) ke dalam masing-masing pelarut (namyl alcohol, isoamyl alcohol, dan 1-octanol) kemudian
diinkubasikan selama 24 jam dan dilakukan analisa dengan
melihat konsenterasi gula sisa serta pertumbuhan
mikroorganismenya.
Gambar 1. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut namyl-alcohol
C. Performa Ekstraksi Secara Eksperimen
Pada eksperimen ini dilakukan ekstraksi antara pelarut
dengan broth fermentasi dengan cara mengalirkan keduanya ke
dalam packed column yang berisi packing jenis raschig ring
2,5 mm secara counter-current dengan laju air 10,20,30 dan
40 cm3/menit untuk pelarut dan 10 cm3/menit untuk broth
fermentasi. Setelah itu akan dilakukan analisa kadar etanol dari
ekstrak
dan
rafinat
menggunakan
analisa
Gas
Chromatography. Analisa ini nantinya digunakan untuk
menentukan performa ekstraksi dari masing-masing pelarut
yang ditunjukkan dengan %recovery.
Gambar 2. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut
iso-amyl-alcohol
D. Validasi Perhitungan
Setelah dilakukan perhitungan %recovery secara
eksperimen maka perlu dilakukan validasi dengan
membandingkannya secara permodelan. Permodelan ini dibuat
menggunakan aplikasi MATLAB dengan metode Euler.
Persamaan yang digunakan adalah persamaan dari korelasi
Laddha dan Degaleesan yang digunakan untuk menentukan
koefisien perpindahan massa dari tiap fase yang nantinya juga
divalidasi dengan hasil permodelan.
III. HASIL DAN DISKUSI
A. Analisa Kesetimbangan
Hasil dari eksperimen analisa kesetimbangan didapatkan
data kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut yang
dibuat dalam bentuk grafik antara fraksi etanol di rafinat
dengan fraksi etanol di ekstrak dapat dilihat pada gambar
sebagai berikut:
Gambar 3. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut 1octanol
Dari ketiga gambar di atas didapatkan slope yang
merupakan nilai koefisien kesetimbangan distribusi (KDE).
Semakin besar nilai KDE suatu pelarut menunjukkan semakin
baik pelarut tersebut untuk mengekstrak etanol dalam larutan.
Sehingga dari data di atas menunjukkan bahwa pelarut n-amyl
alcohol (0,7526) lebih baik dalam mengekstrak dibandingkan
pelarut iso-amyl alcohol (0,7354) dan 1-octanol (0,6531). Hal
ini sesuai dengan literatur bahwa nilai KDE akan semakin kecil
seiring bertambahnya berat molekul yang disebabkan oleh
pengaruh viskositas dari pelarut dimana semakin
bertambahnya besar berat molekul pelarut maka viskositas dari
pelarut tersebut akan semakin besar sehingga makin sulit untuk
menyerap etanol. Viskositas untuk n-amyl alcohol sendiri
adalah sebesar 3,717 Cp dan untuk 1-octanol sebesar 7,353 Cp
masing-masing pada suhu 25oC.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
B. Analisa Toxisitas
Dalam proses fermentasi untuk menghasilkan alkohol adalah
masalah penghambatan dan bahkan akhirnya penghentian
pertumbuhan dan produktifitas mikroorganisme oleh produk
toxic (racun) etanol itu sendiri. Pada proses fermentasi
ekstraktif pelarut, harus tidak bersifat racun terhadap
mikroorganisme. Sehingga untuk menghindari keracunan
pelarut terhadap sel mikroorganisme perlu diadakannya
pemisahan antara daerah fermentasi dan daerah ekstraksi
didalam reaktor. Dari hasil eksperimen didapatkan data uji
toksisitas pelarut dapat dilihat pada tabel berikut:
Tabel 1. Uji tokxisitas terhadap pelarut
Konsentrasi
Pertumbuhan
Total
Gula
Gula Sisa
Sel (sel/mL
(%)
Terkonsumsi
(g/L)
sampel)
N
o
Nama
Sample
1
Blanko
100
398,195
0
483333,3
2
n-amyl
alcohol
100
326,0425
72,1525
216666,7
3
iso-amyl
alcohol
100
320,6175
77,5775
283333,3
4
1octanol
100
232,7325
165,4625
400000
Pada tabel 3 didapatkan konsentrasi gula sisa pada pelarut 1octanol lebih sedikit daripada pelarut n-amyl alcohol dan isoamyl alcohol. Sedangkan gula yang terkonsumsi dan
pertumbuhan sel pada pelarut 1-octanol lebih banyak daripada
pelarut n-amyl alcohol dan iso-amyl alcohol. Sehingga bisa
disimpulkan bahwa pelarut 1-octanol bersifat kurang
menghambat pertumbuhan mikroorganisme (Zymomonas
Mobilis) dibandingkan pelarut n-amyl alcohol dan iso-amyl
alcohol dilihat dari analisa konsentrasi gula sisa dan
pertumbuhan sel. Hal ini sesuai dengan penelitian yang
dilakukan [3], dimana pada penelitian tersebut menunjukkan
bahwa pelarut yang memiliki atom C lebih banyak cenderung
tidak menghambat pertumbuhan (menginhibisi) dan tidak
meracuni mikroorganisme.
C. Performa Ekstraksi Secara Eksperimen
Proses ekstraksi yang dilakukan dimulai dengan mengalirkan
broth fermentasi sebagai fase kontinyu dan kemudian secara
berlawanan pelarut dialirkan sebagai fase terdispersi. Dari
hasil eksperimen ekstraksi ini, didapatkan hasil %recovery
etanol dari berbagai nilai laju alir pelarut sebagai berikut:
Tabel 2. %recovery etanol pada berbagai nilai laju alir pelarut
laju pelarut
n-amyl alcohol
Iso-amyl alcohol
1-octanol
(cm3/min)
(%)
(%)
(%)
0
0
0
0
10
28,34
19,62
19,17
20
32,88
27,98
21,60
30
36,35
35,61
22,42
40
38,09
35,74
25,09
3
Pada tabel 2 dapat dilihat bahwa n-amyl alcohol memiliki
%recovery lebih besar dibandingkan iso-amyl alcohol dan 1octanol. Ini menunjukkan bahwa n-amyl alcohol memiliki
%recovery yang lebih baik dibandingkan pelarut lain.
D. Validasi perhitungan
Untuk mengetahui seberapa optimal desain proses dari
pemodelan dilakukan validasi hasil prediksi menggunakan data
hasil eksperimen yang dinyatakan dalam % error. Untuk
mendapatkan %recovery etanol pemodelan yang mendekati
eksperimen dilakukan dengan mencoba-coba konstanta
(fitting) dari korelasi seibert dan Fair. Hasil fitting terbaik
didapatkan konstanta 0,0146. Berikut tabel perbandingan
%recovery eksperimen dengan %recovery pemodelan.
Tabel 3. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan
menggunakan pelarut n-amyl alcohol
%recovery
laju pelarut Eksperimen Permodela %error
(%)
n (%)
(cm3/min)
0
0
0
0
10
28,34
33,66
15,82
20
32,88
37,55
12,44
30
36,35
39,02
6,85
40
38,09
39,84
4,38
%error rata-rata
9,87
Tabel 4. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan
menggunakan pelarut iso-amyl alcohol
%recovery
laju pelarut
Eksperimen Permodela %error
3
(cm /min)
(%)
n (%)
0
0
0
0
10
19,62
23,58
16,80
20
27,98
31,07
9,93
30
35,61
34,21
4,07
40
35,74
35,96
0,63
%error rata-rata
7,86
Tabel 5. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan
menggunakan pelarut 1-octanol
%recovery
Laju pelarut
Eksperimen Permodela %error
(cm3/min)
(%)
n (%)
0
0
0
0
10
19,17
22,77
15,82
20
21,60
24,95
13,40
30
22,42
25,80
13,13
40
25,09
26,30
4,61
% error rata-rata
11,74
Pada tabel 3 didapatkan perbandingan %recovery teoritis dan
eksperimen pada pelarut n-amyl alcohol dinyatakan dalam
%error rata-rata sebesar 9,87% lebih kecil dari pelarut 1oktanol adalah 11,74%. Sedangkan pada pelarut iso-amyl
alcohol nilai % error yang dihasilkan paling rendah
dibandingkan pelarut lainnya yaitu 7,86%.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
Tabel 6. Perbandingan nilai koefisien transfer massa eksperimen
dengan teoritis pada pelarut n-amyl alcohol
nilai kd untuk pelarut nLaju
amyl alkohol
%error
pelarut
Eksperimen Permodela
3
(cm /min)
(%)
n (%)
0
0
0
0
10
0,0050061
0,0050258 0,3920
20
0,0050214
0,0050698 0,9547
30
0,00505
0,0051137 1,2457
40
0,0050821
0,0051577 1,4658
% error rata-rata
0,8116
Tabel 7. Perbandingan nilai koefisien transfer massa eksperimen
dengan teoritis pada pelarut iso-amyl alcohol
nilai kd untuk pelarut isoLaju
amyl alcohol
%error
pelarut
Eksperimen Permodela
3
(cm /min)
(%)
n (%)
0
0
0
0
10
0,0050130
0,0050243
0,2249
20
0,0050433
0,0050665
0,4579
30
0,0051402
0,0051086
0,6186
40
0,0051440
0,0051508
0,1320
% error rata-rata
0,2867
berat molekul lebih besar semakin tidak bersifat racun ( toxic)
terhadap mikroorganisme. %recovery dari masing-masing
pelarut menunjukkan kinerja dari packed column yang
digunakan sehingga semakin besar %recovery-nya maka
kinerja packed column semakin baik dan stabil.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis Y.A dan M.N mengucapkan terima kasih kepada
pembimbing yang sudah membimbing dan membantu baik
secara materi ataupun non-materi hingga penelitian ini selesai
tepat waktu. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada
keluarga dan teman-teman yang sudah banyak mendukung
penulis selama mengerjakan penelitian hingga penelitian ini
selesai.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
Tabel 8. Perbandingan nilai koefisien transfer
dengan teoritis pada pelarut 1-octanol
nilai kd untuk pelarut 1Laju
octanol
pelarut
Eksperimen Permodela
3
(cm /min)
(%)
n (%)
0
0
0
10
0,0022492
0,0022613
20
0,0022555
0,0022855
30
0,0022594
0,0023097
40
0,0022884
0,0023339
% error rata-rata
massa eksperimen
[4]
%error
[5]
0
0,5351
1,3126
2,1778
1,9495
1,1950
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Pada penelitian ini bisa diambil kesimpulan bahwa semakin
kecil berat molekul pelarut (dalam hal ini semakin mendekati
berat molekul etanol) maka pelarut tersebut semakin baik
untuk mengekstrak etanol. Selain itu, pelarut yang memiliki
berat molekul sama tapi memiliki struktur yang berbeda
memiliki nilai koefisien kesetimbangan distribusi (KDE) yang
berbeda pula dimana pada penelitian ini pelarut alkohol yang
memiliki rantai n-amyl memiliki KDE lebih besar dibandingkan
dengan pelarut yang memilki rantai iso-amyl. Selain itu, pada
penelitian ini juga disimpulkan bahwa pelarut yang memiliki
Perry, Robert H., 1999, Perry’s Chemical Engineering’s Handbook ,
6th edition, McGraw Hill Book Company, Singapore, page 3-75, 15-1 –
15-20.
Minier, M., dan Goma,G., 1981, Production Of Ethanol By Coupling
Fermentation and Solvent Extraction , Biotechnology Letters, Vol. 3,
405-408.
Minier, M, Goma,G., 1982., Ethanol Production by Extractive
Fermentation , Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXIV, 15651579.
Kollerup,F. and Daugulis, A.J., 1985, A Mathematical Model for
ethanol production by extractive fermentation in a continuous stirred
tank fermentor , Biotechnology and Bioengineering, Vol. 27, pp.13351346.
Crabbe, P.G., Tse, C.W., and Munro, P.A. (1986),”Effect of
Microorganismes on Rate of Liquid Extraction of Ethanol from
[6]
Fermentation Broths”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 28,
pp.939-943.
Barros,M.R.A., Cabral,J.M.S., and Novais, J.M. (1987),”Production of
Ethanol by immobilized Saccharomyces bayanus in an extractive
[7]
Dari tabel 6, 7, dan 8 dapat dilihat perbandingan antara
koefisien transfer massa fase disperse (kd) eksperimen dan
teoritis pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl alcohol, dan 1octanol memiliki nilai yang hampir sama. Hal ini juga terlihat
pada %error rata-rata yang dihasilkan masih di bawah 2%.
Nilai %error pada kd lebih kecil dibandingkan dengan %error
rata-rata pada %recovery etanol. Hal ini menunjukkan bahwa
kinerja kolom cukup stabil terhadap nilai kd dibandingkan
terhadap %recovery etanol.
4
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
fermentation syatem”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 29,
pp.1097-1104.
Fournier, R.L.(1987), “Mathematical Model of Microporous Hollow Fiber Membrana Extractive Fermento r”, Biotechnology and
Bioengineering, Vol. 31, pp.235-239.
Goksungur, Y. dan Zorlu, N., 2001, Production of Ethanol From Beet
Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed
Bioreactor , Turk J Biol, 25, 265-275.
Laddha, G.S., Degaleesan, T.E,. 1978, Transport Phenomena in Liquid
Extraction , McGraw-Hill, New York.
Offeman, R.D., Stephenson, S.K., Robertson, G.H., dan Orts, W.J.,
2005, Solvent Extraction of Ethanol from Aqueous Solutions. II. Linear,
Branched, and Ring-Containing Alcohol Solvents, American Chemical
Society Vol. 44 No. 17, 6797–6803.
Offeman, R.D., Stephenson, S.K., Franqui, D., dan Cline, J.L., 2008,
Extraction of ethanol with higher alcohol solvents and their toxicity to
Yeast, Separation and Purification Technology 63, 444–451.
Razmovski. R dan Vucuravic .V., 2012, Bioethanol production from
sugar beet molasses and thick juice using Saccharomyces cerevisiae
immobilized on maize stem ground tissue , Fuel 92, 1–8.
Seibert, A.F., and Fair, J.R., 1988, Hydrodynamics and Mass Transfer
in Spray and Packed Liquid-Liquid Extraction Column , Ind.
Engr.Chem.Res., 470-481.
Treybal,R.E., 1980, Mass Transfer Operations , 3rd ed, McGraw-Hill,
New York.
Widjaja, T., Soeprijanto, Altway, A., Gunawan, S., dan Darmawan,R.,
2011, Ethanol Production From Molasses Using Immobilized Cells Ca Alginate and K-Carrageenan By Mutation Zymomonas Mobilis In A
Packed Bed Bioreactor, International Journal of Academic Research,
Vol 2, 30-34.
1
Pemilihan Pelarut Ekstraksi Etanol dari Pelarut
Berbasis Alkohol pada Proses FermentasiEkstraktif
Yanuar Arief Prasetya, Mulan Nur Shabrina, dan Tri Widjaja
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: tri-w@chem-eng.its.ac.id
Abstrak—Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari secara
teoritis dan eksperimen pengaruh macam pelarut dan laju alir
pelarut terhadap kinerja packed column pada proses ekstraksi
etanol dari broth fermentasi yang dinyatakan dengan %recovery
etanol ekstraksi secara eksperimen dan pemodelan. Penelitian
dilakukan secara eksperimen dan permodelan dengan
menggunakan broth fermentasi dari molases. Pendekatan secara
teoritis dilakukan dengan mengembangkan model matematik
dalam menentukan %recovery ekstraksi. Pengembangan model
matematis membutuhkan data kesetimbangan dan transfer massa.
Koefisien distribusi etanol tiap pelarut diperoleh dari data
kesetimbangan yang didapatkan dari eksperimen kesetimbangan.
Model matematis yang digunakan diselesaikan secara numerik
menggunakan metode Euler modifikasi dengan aplikasi
MATLAB 6.1. Pelarut yang digunakan pada penelitian adalah namyl alcohol, iso-amyl alcohol dan 1-octanol yang divariasikan
laju alirnya 10-40 cm3/s. Penelitian secara eksperimen nantinya
akan divalidasi dengan hasil dari pendekatan teoritis
(permodelan). Dari hasil penelitian, didapatkan nilai koefisien
distribusi etanol untuk pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl alcohol,
dan 1-octanol adalah sebesar 0.7526, 0.7354 dan 0.6531. Untuk uji
toxisitas dari ketiga pelarut tersebut, pelarut 1-octanol bersifat
kurang menghambat pertumbuhan mikroorganisme (Zymomonas
Mobilis) yang ditunjukkan dengan hasil analisa konsentrasi gula
sisa dan pertumbuhan sel dimana pelarut 1-octanol memiliki hasil
yang paling besar dan banyak dibanding pelarut lainnya. Nilai
%recovery ekstraksi berkisar dari 28.34% hingga 38.09%,
19.62% hingga 35.74% dan 19.17% hingga 25.09% dengan laju
alir pelarut 10-40 cm3/s masing-masing untuk pelarut n-amyl
alcohol, iso-amyl alcohol dan 1-octanol menggunakan Raschig
Rings packing. Hasil tersebut divalidasi dengan pendekatan
teoritis dengan rata-rata kesalahan sebesar 9.87%, 7.86% dan
11.74% masing-masing untuk pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl
acohol dan 1-octanol.
Kata Kunci—broth fermentasi; ekstraksi; iso-amyl alcohol; namyl alcohol; 1-octanol.
karbohidrat dan asam amino secara anaerob. Peruraian dari
kompleks menjadi sederhana dengan bantuan mikroorganisme
sehingga menghasilkan energy [1].
Proses fermentasi merupakan salah satu cara yang telah
banyak dilakukan sebagai salah satu cara untuk mendapatkan
etanol dalam dunia industri. Mulai tahun 1980-an penelitipeneliti terdahulu seperti [2]-[7] melakukan upaya-upaya
untuk mengatasi permasalahan ini, salah satunya adalah
dengan mengusulkan proses fermentasi ekstraktif.
Etanol dapat diekstrak dari air dengan cara ekstraksi caircair. Etanol dapat larut dengan mudah kedalam cairan yang
tidak dapat bercampur dengan air. Dengan memanfaatkan
perbedaan kelarutan ini, maka etanol dapat direcover dengan
cara ekstraksi menggunakan pelarut, namun didalam proses
fermentasi ekstraktif, pelarut harus tidak bersifat racun
terhadap mikroorganisme. Pelarut yang umum digunakan oleh
peneliti-peneliti terdahulu [3]-[6] adalah organic acid, 1-amyl
alcohol, dibutylphtaalat dan n-dodecanol.
Beberapa peneliti telah memberikan urutan dari klasifikasi
solven berdasarkan pada perbandingan perfoma dari
eksperimen adalah:
Asam karboksilat > alkohol > ester > amine > ketone >
ether > hydrocarbon
Berdasarkan tingkat toksisitas dari alkohol terhadap yeast,
alkohol dengan berat molekul rendah (C2 sampai C10) adalah
toksik atau sebagai inhibitor, sedangkan alkohol dengan berat
molekul yang lebih besar tidak bersifat toksik [3].
Perbandingan performa dari ekstraksi ethanol ditampilkan
oleh 2 parameter, yakni koefisien transfer massa ethanol (KDE)
yang menunjukkan kapasitas pelarut untuk ethanol dan faktor
separasi () yang menunjukkan selektivitas pelarut untuk
ethanol terhadap air.
II. URAIAN PENELITIAN
I. PENDAHULUAN
ebutuhan energi dari bahan bakar minyak bumi (BBM)
berbasis fosil seperti solar, bensin dan minyak tanah di
berbagai negara di dunia dalam tahun terakhir ini mengalami
peningkatan tajam. Sedangkan ketersediaan cadangan sumber
BBM semakin terbatas. Salah satu sumber energi alternatif
yang terus dikembangkan adalah bioetanol. Etanol dapat
dihasilkan dari peragian atau fermentasi karbohidrat, dimana
prinsip pembentukan etanol adalah proses mikrobiologi untuk
memperoleh produk yang berguna, dimana terjadi pemecahan
K
A. Analisa Kesetimbangan
Performa dari ekstraksi ethanol dapat ditunjukkan oleh
koefisien kesetimbangan distribusi ethanol (KDE) yang
menunjukkan kapasitas pelarut untuk ethanol. Nilai KDE
menunjukkan kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut
alkohol. Waktu yang digunakan pada proses ekstraksi yaitu
10-15 menit karena pada waktu tersebut menghasilkan kadar
ethanol dan ketinggian fase interface yang tetap. Prosedur
yang dilakukan dalam pengambilan data koefisien transfer
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
2
massa ethanol antara pelarut dengan broth fermentasi
diperoleh dengan cara broth fermentasi dicampurkan dengan
pelarut pada perbandingan pelarut:broth 4:6, 6:4, 2:8, dan 8:2.
Kemudian campuran broth fermentasi dan pelarut dikocok
pada corong pemisah selama 10 menit untuk mencapai
kestimbangan dan diambil ekstrak dan rafinat yang akan
dianalisa kadar ethanolnya dengan menggunakan Gas
Chromatography.
B. Analisa Toxisitas
Analisa ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar
pengaruh dari macam-macam pelarut yang digunakan terhadap
pertumbuhan mikroorganisme agar nantinya apabila dilakukan
recycle pada proses fermentasi tidak meracuni mikroorganisme
tersebut. Analisa ini dilakukan dengan cara mencampurkan
larutan broth fermentasi yang telah berisi mikroorganisme
(Zymomonas mobilis) ke dalam masing-masing pelarut (namyl alcohol, isoamyl alcohol, dan 1-octanol) kemudian
diinkubasikan selama 24 jam dan dilakukan analisa dengan
melihat konsenterasi gula sisa serta pertumbuhan
mikroorganismenya.
Gambar 1. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut namyl-alcohol
C. Performa Ekstraksi Secara Eksperimen
Pada eksperimen ini dilakukan ekstraksi antara pelarut
dengan broth fermentasi dengan cara mengalirkan keduanya ke
dalam packed column yang berisi packing jenis raschig ring
2,5 mm secara counter-current dengan laju air 10,20,30 dan
40 cm3/menit untuk pelarut dan 10 cm3/menit untuk broth
fermentasi. Setelah itu akan dilakukan analisa kadar etanol dari
ekstrak
dan
rafinat
menggunakan
analisa
Gas
Chromatography. Analisa ini nantinya digunakan untuk
menentukan performa ekstraksi dari masing-masing pelarut
yang ditunjukkan dengan %recovery.
Gambar 2. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut
iso-amyl-alcohol
D. Validasi Perhitungan
Setelah dilakukan perhitungan %recovery secara
eksperimen maka perlu dilakukan validasi dengan
membandingkannya secara permodelan. Permodelan ini dibuat
menggunakan aplikasi MATLAB dengan metode Euler.
Persamaan yang digunakan adalah persamaan dari korelasi
Laddha dan Degaleesan yang digunakan untuk menentukan
koefisien perpindahan massa dari tiap fase yang nantinya juga
divalidasi dengan hasil permodelan.
III. HASIL DAN DISKUSI
A. Analisa Kesetimbangan
Hasil dari eksperimen analisa kesetimbangan didapatkan
data kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut yang
dibuat dalam bentuk grafik antara fraksi etanol di rafinat
dengan fraksi etanol di ekstrak dapat dilihat pada gambar
sebagai berikut:
Gambar 3. Kesetimbangan broth fermentasi dengan pelarut 1octanol
Dari ketiga gambar di atas didapatkan slope yang
merupakan nilai koefisien kesetimbangan distribusi (KDE).
Semakin besar nilai KDE suatu pelarut menunjukkan semakin
baik pelarut tersebut untuk mengekstrak etanol dalam larutan.
Sehingga dari data di atas menunjukkan bahwa pelarut n-amyl
alcohol (0,7526) lebih baik dalam mengekstrak dibandingkan
pelarut iso-amyl alcohol (0,7354) dan 1-octanol (0,6531). Hal
ini sesuai dengan literatur bahwa nilai KDE akan semakin kecil
seiring bertambahnya berat molekul yang disebabkan oleh
pengaruh viskositas dari pelarut dimana semakin
bertambahnya besar berat molekul pelarut maka viskositas dari
pelarut tersebut akan semakin besar sehingga makin sulit untuk
menyerap etanol. Viskositas untuk n-amyl alcohol sendiri
adalah sebesar 3,717 Cp dan untuk 1-octanol sebesar 7,353 Cp
masing-masing pada suhu 25oC.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
B. Analisa Toxisitas
Dalam proses fermentasi untuk menghasilkan alkohol adalah
masalah penghambatan dan bahkan akhirnya penghentian
pertumbuhan dan produktifitas mikroorganisme oleh produk
toxic (racun) etanol itu sendiri. Pada proses fermentasi
ekstraktif pelarut, harus tidak bersifat racun terhadap
mikroorganisme. Sehingga untuk menghindari keracunan
pelarut terhadap sel mikroorganisme perlu diadakannya
pemisahan antara daerah fermentasi dan daerah ekstraksi
didalam reaktor. Dari hasil eksperimen didapatkan data uji
toksisitas pelarut dapat dilihat pada tabel berikut:
Tabel 1. Uji tokxisitas terhadap pelarut
Konsentrasi
Pertumbuhan
Total
Gula
Gula Sisa
Sel (sel/mL
(%)
Terkonsumsi
(g/L)
sampel)
N
o
Nama
Sample
1
Blanko
100
398,195
0
483333,3
2
n-amyl
alcohol
100
326,0425
72,1525
216666,7
3
iso-amyl
alcohol
100
320,6175
77,5775
283333,3
4
1octanol
100
232,7325
165,4625
400000
Pada tabel 3 didapatkan konsentrasi gula sisa pada pelarut 1octanol lebih sedikit daripada pelarut n-amyl alcohol dan isoamyl alcohol. Sedangkan gula yang terkonsumsi dan
pertumbuhan sel pada pelarut 1-octanol lebih banyak daripada
pelarut n-amyl alcohol dan iso-amyl alcohol. Sehingga bisa
disimpulkan bahwa pelarut 1-octanol bersifat kurang
menghambat pertumbuhan mikroorganisme (Zymomonas
Mobilis) dibandingkan pelarut n-amyl alcohol dan iso-amyl
alcohol dilihat dari analisa konsentrasi gula sisa dan
pertumbuhan sel. Hal ini sesuai dengan penelitian yang
dilakukan [3], dimana pada penelitian tersebut menunjukkan
bahwa pelarut yang memiliki atom C lebih banyak cenderung
tidak menghambat pertumbuhan (menginhibisi) dan tidak
meracuni mikroorganisme.
C. Performa Ekstraksi Secara Eksperimen
Proses ekstraksi yang dilakukan dimulai dengan mengalirkan
broth fermentasi sebagai fase kontinyu dan kemudian secara
berlawanan pelarut dialirkan sebagai fase terdispersi. Dari
hasil eksperimen ekstraksi ini, didapatkan hasil %recovery
etanol dari berbagai nilai laju alir pelarut sebagai berikut:
Tabel 2. %recovery etanol pada berbagai nilai laju alir pelarut
laju pelarut
n-amyl alcohol
Iso-amyl alcohol
1-octanol
(cm3/min)
(%)
(%)
(%)
0
0
0
0
10
28,34
19,62
19,17
20
32,88
27,98
21,60
30
36,35
35,61
22,42
40
38,09
35,74
25,09
3
Pada tabel 2 dapat dilihat bahwa n-amyl alcohol memiliki
%recovery lebih besar dibandingkan iso-amyl alcohol dan 1octanol. Ini menunjukkan bahwa n-amyl alcohol memiliki
%recovery yang lebih baik dibandingkan pelarut lain.
D. Validasi perhitungan
Untuk mengetahui seberapa optimal desain proses dari
pemodelan dilakukan validasi hasil prediksi menggunakan data
hasil eksperimen yang dinyatakan dalam % error. Untuk
mendapatkan %recovery etanol pemodelan yang mendekati
eksperimen dilakukan dengan mencoba-coba konstanta
(fitting) dari korelasi seibert dan Fair. Hasil fitting terbaik
didapatkan konstanta 0,0146. Berikut tabel perbandingan
%recovery eksperimen dengan %recovery pemodelan.
Tabel 3. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan
menggunakan pelarut n-amyl alcohol
%recovery
laju pelarut Eksperimen Permodela %error
(%)
n (%)
(cm3/min)
0
0
0
0
10
28,34
33,66
15,82
20
32,88
37,55
12,44
30
36,35
39,02
6,85
40
38,09
39,84
4,38
%error rata-rata
9,87
Tabel 4. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan
menggunakan pelarut iso-amyl alcohol
%recovery
laju pelarut
Eksperimen Permodela %error
3
(cm /min)
(%)
n (%)
0
0
0
0
10
19,62
23,58
16,80
20
27,98
31,07
9,93
30
35,61
34,21
4,07
40
35,74
35,96
0,63
%error rata-rata
7,86
Tabel 5. Perbandingan %recovery eksperimen dengan pemodelan
menggunakan pelarut 1-octanol
%recovery
Laju pelarut
Eksperimen Permodela %error
(cm3/min)
(%)
n (%)
0
0
0
0
10
19,17
22,77
15,82
20
21,60
24,95
13,40
30
22,42
25,80
13,13
40
25,09
26,30
4,61
% error rata-rata
11,74
Pada tabel 3 didapatkan perbandingan %recovery teoritis dan
eksperimen pada pelarut n-amyl alcohol dinyatakan dalam
%error rata-rata sebesar 9,87% lebih kecil dari pelarut 1oktanol adalah 11,74%. Sedangkan pada pelarut iso-amyl
alcohol nilai % error yang dihasilkan paling rendah
dibandingkan pelarut lainnya yaitu 7,86%.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271
Tabel 6. Perbandingan nilai koefisien transfer massa eksperimen
dengan teoritis pada pelarut n-amyl alcohol
nilai kd untuk pelarut nLaju
amyl alkohol
%error
pelarut
Eksperimen Permodela
3
(cm /min)
(%)
n (%)
0
0
0
0
10
0,0050061
0,0050258 0,3920
20
0,0050214
0,0050698 0,9547
30
0,00505
0,0051137 1,2457
40
0,0050821
0,0051577 1,4658
% error rata-rata
0,8116
Tabel 7. Perbandingan nilai koefisien transfer massa eksperimen
dengan teoritis pada pelarut iso-amyl alcohol
nilai kd untuk pelarut isoLaju
amyl alcohol
%error
pelarut
Eksperimen Permodela
3
(cm /min)
(%)
n (%)
0
0
0
0
10
0,0050130
0,0050243
0,2249
20
0,0050433
0,0050665
0,4579
30
0,0051402
0,0051086
0,6186
40
0,0051440
0,0051508
0,1320
% error rata-rata
0,2867
berat molekul lebih besar semakin tidak bersifat racun ( toxic)
terhadap mikroorganisme. %recovery dari masing-masing
pelarut menunjukkan kinerja dari packed column yang
digunakan sehingga semakin besar %recovery-nya maka
kinerja packed column semakin baik dan stabil.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis Y.A dan M.N mengucapkan terima kasih kepada
pembimbing yang sudah membimbing dan membantu baik
secara materi ataupun non-materi hingga penelitian ini selesai
tepat waktu. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada
keluarga dan teman-teman yang sudah banyak mendukung
penulis selama mengerjakan penelitian hingga penelitian ini
selesai.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
Tabel 8. Perbandingan nilai koefisien transfer
dengan teoritis pada pelarut 1-octanol
nilai kd untuk pelarut 1Laju
octanol
pelarut
Eksperimen Permodela
3
(cm /min)
(%)
n (%)
0
0
0
10
0,0022492
0,0022613
20
0,0022555
0,0022855
30
0,0022594
0,0023097
40
0,0022884
0,0023339
% error rata-rata
massa eksperimen
[4]
%error
[5]
0
0,5351
1,3126
2,1778
1,9495
1,1950
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Pada penelitian ini bisa diambil kesimpulan bahwa semakin
kecil berat molekul pelarut (dalam hal ini semakin mendekati
berat molekul etanol) maka pelarut tersebut semakin baik
untuk mengekstrak etanol. Selain itu, pelarut yang memiliki
berat molekul sama tapi memiliki struktur yang berbeda
memiliki nilai koefisien kesetimbangan distribusi (KDE) yang
berbeda pula dimana pada penelitian ini pelarut alkohol yang
memiliki rantai n-amyl memiliki KDE lebih besar dibandingkan
dengan pelarut yang memilki rantai iso-amyl. Selain itu, pada
penelitian ini juga disimpulkan bahwa pelarut yang memiliki
Perry, Robert H., 1999, Perry’s Chemical Engineering’s Handbook ,
6th edition, McGraw Hill Book Company, Singapore, page 3-75, 15-1 –
15-20.
Minier, M., dan Goma,G., 1981, Production Of Ethanol By Coupling
Fermentation and Solvent Extraction , Biotechnology Letters, Vol. 3,
405-408.
Minier, M, Goma,G., 1982., Ethanol Production by Extractive
Fermentation , Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXIV, 15651579.
Kollerup,F. and Daugulis, A.J., 1985, A Mathematical Model for
ethanol production by extractive fermentation in a continuous stirred
tank fermentor , Biotechnology and Bioengineering, Vol. 27, pp.13351346.
Crabbe, P.G., Tse, C.W., and Munro, P.A. (1986),”Effect of
Microorganismes on Rate of Liquid Extraction of Ethanol from
[6]
Fermentation Broths”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 28,
pp.939-943.
Barros,M.R.A., Cabral,J.M.S., and Novais, J.M. (1987),”Production of
Ethanol by immobilized Saccharomyces bayanus in an extractive
[7]
Dari tabel 6, 7, dan 8 dapat dilihat perbandingan antara
koefisien transfer massa fase disperse (kd) eksperimen dan
teoritis pelarut n-amyl alcohol, iso-amyl alcohol, dan 1octanol memiliki nilai yang hampir sama. Hal ini juga terlihat
pada %error rata-rata yang dihasilkan masih di bawah 2%.
Nilai %error pada kd lebih kecil dibandingkan dengan %error
rata-rata pada %recovery etanol. Hal ini menunjukkan bahwa
kinerja kolom cukup stabil terhadap nilai kd dibandingkan
terhadap %recovery etanol.
4
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
fermentation syatem”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 29,
pp.1097-1104.
Fournier, R.L.(1987), “Mathematical Model of Microporous Hollow Fiber Membrana Extractive Fermento r”, Biotechnology and
Bioengineering, Vol. 31, pp.235-239.
Goksungur, Y. dan Zorlu, N., 2001, Production of Ethanol From Beet
Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed-Bed
Bioreactor , Turk J Biol, 25, 265-275.
Laddha, G.S., Degaleesan, T.E,. 1978, Transport Phenomena in Liquid
Extraction , McGraw-Hill, New York.
Offeman, R.D., Stephenson, S.K., Robertson, G.H., dan Orts, W.J.,
2005, Solvent Extraction of Ethanol from Aqueous Solutions. II. Linear,
Branched, and Ring-Containing Alcohol Solvents, American Chemical
Society Vol. 44 No. 17, 6797–6803.
Offeman, R.D., Stephenson, S.K., Franqui, D., dan Cline, J.L., 2008,
Extraction of ethanol with higher alcohol solvents and their toxicity to
Yeast, Separation and Purification Technology 63, 444–451.
Razmovski. R dan Vucuravic .V., 2012, Bioethanol production from
sugar beet molasses and thick juice using Saccharomyces cerevisiae
immobilized on maize stem ground tissue , Fuel 92, 1–8.
Seibert, A.F., and Fair, J.R., 1988, Hydrodynamics and Mass Transfer
in Spray and Packed Liquid-Liquid Extraction Column , Ind.
Engr.Chem.Res., 470-481.
Treybal,R.E., 1980, Mass Transfer Operations , 3rd ed, McGraw-Hill,
New York.
Widjaja, T., Soeprijanto, Altway, A., Gunawan, S., dan Darmawan,R.,
2011, Ethanol Production From Molasses Using Immobilized Cells Ca Alginate and K-Carrageenan By Mutation Zymomonas Mobilis In A
Packed Bed Bioreactor, International Journal of Academic Research,
Vol 2, 30-34.