Pengadukan
pada Fermentasi Etanol Secara Sinambung dalam Bioreaktor Tangki Berpengaduk Sel
Tertambat
1.
Proses Pembuatan Etanol
Etanol atau etil alkohol (C2H5OH)
merupakan senyawa organik yang sangat penting dalam industri kimia dan memiliki
cukup banyak manfaat dalam kehidupan manusia. Pembuatan etanol dapat dilakukan
dengan dua cara, yaitu secara sintetik melalui reaksi kimia dan secara
fermentasi melalui aktivitas mikroorganisme. Proses pembuatan etanol secara
fermentasi telah dilakukan sejak ribuan tahun yang lalu dengan menggunakan
bahan yang mengandung karbohidrat sebagai bahan bakunya.
Proses fermentasi
etanol dapat dilakukan dengan
proses sinambung. Kelebihan dari proses ini yaitu waktu yang diperlukan relatif
lebih singkat, hasil yang didapat lebih banyak, dan kerugiannya mudah
terkontaminasi (terjadinya mutasi atau adanya mikroorganisme lain) dan lebih
sulit dalam mengatur laju fermentasinya.
2.
Jenis Bioreaktor dan Pengaruh Pengadukan
Pada proses fermentasi etanol dapat menggunakan bioreaktor
tangki berpengaduk kecepatan pengaduk (100 dan 150 rpm). Fermentor jenis tangki
berpengaduk memiliki kelebihan dari sisi perpindahan panasnya lebih merata dan
perpindahan massanya relative lebih baik.
Faktor yang mempengaruhi proses fermentasi etanol dalam
bioreaktor tangki berpengaduk adalah 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.
3.
Mikroba dan Media Penambat
Salah satu jenis ragi yang dapat digunakan adalah
Schizosaccharomyces pombe yang ditambatkan pada batu apung di dalam bioreaktor
tangki berpengaduk.
Jenis digunakan batu apung sebagai media penambat untuk
pemisahan produk dari ragi yang digunakan karena memiliki porositas yang cukup
besar.
4.
Kondisi Fermentasi
Fermentasi berlangsung dalam kondisi anaerob pada
temperature 34°C, pH 4,5, konsentrasi glukosa 150 gr/L, ukuran batu apung 35/40
mesh, waktu tinggal substrat 48 jam, jenis pengaduk propeller dengan kecepatan
pengaduk 100 rpm.
Bahan bahan yang yang digunakan yaitu
glukosa, Ragi Schizosaccharomyces pombe,
batu apung.
5.
Jenis Pengaduk dan Proses Pengadukan
Batu
apung dengan ukuran 35/40 mesh memiliki densitas yang lebih besar dari substrat
sehingga bila dimasukkan ke dalam substrat, maka batu apung yang sudah
mengadsorpsi ragi akan mengendap di bawah reaktor. Untuk mendistribusikan batu
apung diperlukan pengadukan dengan pola aliran axial. supaya batu apung akan
terangkat ke atas reaktor sehingga proses fermentasi berlangsung lebih merata.
Jenis pengaduk yang menghasilkan aliran aksial yaitu propeller
Berikut adalah skema alat bioreaktor tangki berpengaduk sel
tertambat proses sinambung
Gambar 2 :
Skema Alat Bioreaktor Tangki Berpengaduk Sel Tertambat Proses Sinambung
Keterangan:
1. Bioreaktor tangki berpengaduk
2. Termometer
3. Motor pengaduk
4. Leher
5. Baffle
6. Pengaduk
7. Screen support
8. Tangki produk
9. Water bathAngsa
10. Thermostat
11. Pompa
12.Tangki substrat
13. Lubang
14. valve
Dalam pelaksanaannya, jumlah batu apung yang sudah ditentukan
sebanyak 400 gram dimasukan kedalam bioreaktor dan diaduk. Setelah dimasukan
batu apung, kemudian ditambahkan substrat atau glukosa ke dalam bioreaktor
sebanyak 4000 mL. Volume bioreaktor dalam keadaan kosong adalah 5000 mL dan
dioprasikan pada volume 4000 mL dengan waktu tinggal (waktu fermentasi) 2 hari
(48 jam), kemudian didapatkan laju alir 1,38 ml/menit. Proses penambatan sel
pada batu apung yang dilakukan dalam bioreaktor ini yaitu dalam keadaan diaduk
pelan sebesar 20 rpm. Pada jenis pengaduk propeller kondisi steady
state dicapai pada jam ke- 54 dengan menghasilkan konsentrasi etanol
pada saat awal steady statesebesar
13.235%v/v.
Pada jenis pengaduk yang sama dengan kecepatan pengaduk
divariasikan. Pada kecepatan 100 rpm dan 150 rpm jenis pengaduk propeller menghasilkan perolehan konsentrasi
etanol yang berbeda. Seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.
Gambar 2 : Pengaruh Kecepatan
Pengaduk Terhadap Konsentrasi Etanol pada
Pengaduk Propeller dan Waktu Fermentasi 48 Jam
Pada pengaduk propeller dapat di lihat pada
Gambar 4 bahwa peningkatan kecepatan pengadukan menjadi 150 rpm dapat
menurunkan perolehan konsentrasi akhir etanol. Penurunan perolehan etanol ini
dapat diakibatkan karena pada kecepatan 150 rpm arus yang dihasilkan lebih besar
dibandingkan dengan kecepatan 100 rpm. Akibatnya waktu kontak enzim yang
dihasilkan oleh ragi dengan substrat glukosa lebih cepat sehingga glukosa yang
terkonversi menjadi etanol sedikit.
Jumlah ragi yang terlepas dari medium penambat dan
terbawa aliran produk menjadi faktor penurunan konsentrasi etanol, pada
kecepatan 150 rpm jumlah ragi yang terlepas dari medium penambat dan terbawa
aliran produk lebih banyak dibandingkan dengan kecepatan 100 rpm. Akibatnya
jumlah ragi pada reaktor semakin berkurang sehingga enzim yang dihasilkan ragi
berkurang dan berakibat pada penurunan perolehan etanol.
Pada pengaduk propeller
jumlah ragi yang terlepas lebih sedikit dari pengaduk paddle dan lebih besar dari pengaduk turbine. Hal ini dikarenakan pada
pengaduk propeller menimbulkan
arah aliran aksial sehingga mengakibatkan sel ragi terkikis dari batu apung
akibat benturan pada bagian dasar reaktor selain itu arus yang dihasilkan dari
pengaduk propeller pada
kecepatan yang sama lebih besar dibandingkan dengan pengaduk turbine. Sehingga
jumlah sel yang terlepasnya lebih besar dari jenis pengaduk turbine.
Tabel 1: Pengaruh Kecepatan Pengaduk Terhadap Sel
Terlepas Pada Pengaduk Propeller
|
Kecepatan
Pengaduk (rpm)
|
Jumlah sel yang tertambat
|
Jumlah sel yang terlepas
|
% sel yang terlepas
|
||||
|
Jam ke-6
|
Jam ke-66
|
Jam ke-114
|
Jam ke-6
|
Jam ke-66
|
Jam ke-114
|
||
|
100
|
2.5E + 10
|
4.0.E+0.9
|
2.8.E+0.9
|
2.1.E+0.9
|
16%
|
11%
|
18%
|
|
150
|
2.5E + 10
|
4.8.E+0.9
|
3.6.E+0.9
|
2.8.E+0.9
|
19%
|
14%
|
11%
|
Pada Tabel 1 dapat dilihat pada pengaduk propeller peningkatan kecepatan
pengadukan menjadi 150 rpm menyebabkan jumlah sel yang terlepas lebih banyak
dibandingkan dengan kecepatan 100 rpm. Hal tersebut dikarenakan arus yang
dihasilkan dari pengaduk propeller pada
kecepatan 150 rpm lebih besar dibandingkan dengan kecepatan pengaduk 100 rpm.
Sehingga akan lebih banyak melepaskan ikatan sel ragi dengan batu apung. Selain
itu meskipun dengan adanya pengadukan memungkinkan sel ragi tertambat kembali,
tetapi karena kecepatan pengadukan yang terlalu besar mengakibatkan sel ragi
yang akan tertambat menjadi terlepas kembali sehingga jumlah sel ragi yang
terlepas pada kecepatan 150 rpm lebih banyak dibandingkan dengan kecepatan 100
rpm.
Kondisi terbaik pada jenis pengaduk propeller dengan
kecepatan pengaduk 100 rpm, dimana konsentrasi etanol sebesar 13,235 %v/v, %
yield etanol sebesar 4,442 % dan % sel terlepas sebesar 12%.
