Submitted : 27 June Revised : 14 July Accepted : 31 July

## REVIEW: PENGONTROLAN POTENSIAL REDOKS PADA FERMENTASI ETANOL SISTEM MIKROAEROBIK MENGGUNAKAN RAGI SACCHAROMYCES
Wara Dyah Pita Rengga 1 *, Daniel Setiyo Nugroho 1 , Tiara Khalifah Permani 1 , Angga Pratama 1
1 Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang
* Email: wdpitar@mail.unnes.ac.id

## Abstrak
Fermentasi  etanol  sistem  mikroaerobik  menggunakan  media  glukosa  dengan  bantuan  ragi Sacharomyces Cerevisiae .  Selektifitas  produk  etanol  dapat  dikendalikan  pada  kondisi  mikroaerobik  menggunakan  potensial redoks  ekstrasel  yang  dapat  mendeteksi  adanya  oksigen  selain  oksigen.  Oksigen  terlarut  yang  adadapat mempengaruhi  redoks  dari  metabolisme  di  intrasel.  Kajian  peningkatan  efisiensi  fermentasi  etanol  dapat dilakukan  melalui  strategi  kontrol  potensial  redoks,  potensial  redoks  pada  kadar  gula  sangat  tinggi  sebagai bahan baku, pengembangan fermentor pada reaksi mikroaerobik, dan penambahan zat pengontrol serta skema kontrol potensial redoks. Strategi potensial redoks terhadap produk etanol harus diimbangi oleh kelangsungan hidup  sel,  sehingga  diperlukan  agitasi  dan  aerasi  yang  optimal.  Didapat  potensial  -150  mV  untuk  memantau reaksi  redoks  pada  media  glukosa  yang  sangat  tinggi  yaitu  290  g/L.  Fermentor  didesain  untuk  sistem mikroaerobik  menggunakan  kombinasi  reaktor  berpengaduk  dan  turbular  yang  dalam  prosesnya  diperlukan penambahan  gas  penyemprot  dan  bahan  kimia  untuk  mengontrol  potensial  redoks.  Skema  kontrol  dilakukan dengan menggabungkan aerasi dan glukosa yang dikendalikan, sehingga didapat hasil produksi etanol mencapai 147  g/L,  sehingga  memperlama  waktu  potensial  redoks  dan  kelangsungan  hidup  ragi  untuk  mencapai  proses fermentasi etanol yang efisien di atas 90%.
Kata Kunci : Mikroaerobik, Potensial redoks, Saccharomyces cerevisiae

## Abstract
Microaerobic system of ethanol fermentation used glucose with the aid of Saccharomyces cerevisiae yeast. Ethanol product  selectivity  can  be  controlled  by  microaerobic  condition  using  extracellular  redox  potential  which  can detected the presence other oxygen of dissolved oxygen. Dissolved oxygen can affect intracellularredox metabolism. Study of improving the efficiency of ethanol fermentation can be carried out via redox potential control strategies, redox  potential  at  very  high  levels  of  sugar  as  raw  material,  development  of  the  fermenter  at  the  microaerobic reaction,  and  an  addition  of  controllers  and  control  schemes  redox  potential.  Strategy  redox  potential  of  ethanol product  must  be  offset  by  the  survival  of  the  cell  so  that  necessary  optimal  agitation  and  aeration.  Obtained potential -150 mV to monitor the redox reaction in glucose media was 90 g/L. Microaerobic fermenter designed for systems using a combination of a stirred reactor and tubular were in the process required the addition of gas and chemical  sprays  to  control  the  redox  potential.  Control  scheme  carried  out  by  combining  aeration  and  glucose  is controlled, so that the result of ethanol production reached 147 g/L, thus prolonging the time the redox potential and the viability of yeast to achieve an efficient ethanol fermentation processes over 90%.
Keywords : Microaerobic, Redoks potential, Saccharomyces cerevisiae

## JURNAL INTEGRASI PROSES
Website: http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/jip

## 1. PENDAHULUAN
Beberapa  fermentasi  sistem  anaerobik  atau microaerobik  dapat  dipilih  untuk  mendapatkan produk  yang  diinginkan,  namun  kontaminasi  karena mikroba yang tidak diinginkan dapat menyebar cepat di bawah kondisi aerobik.
Biofuel  seperti  etanol  dan  butanol  diproduksi pada  kondisi  fermentasi  mikroaerobik  dananaerobik. Hal  isi  sangat  berbeda  dengan  kultur  fermentasi aerobik  di  mana  oksigen  terlarut  dapat  dipantau, sehingga  menjadi  tantangan  besar  bagi  fermentasi mikroaerobik  dan anaerob  yang  belum menggunakan proses teknologi pemantauan dan kontrol.
Teori  potensial  redoks  dan  pengukurannya dengan sistem reaksi kimia yang relatif sederhanamenggunakan  dampak  potensial  redoks pada  metabolisme  intraselulermasih  sangat  terbatas aplikasinya dalam rekayasa bioproses.
Potensial redoks menggambarkan transfer elektron  keseluruhan  dan  keseimbangan  redoks  yang terlibat  dalam  metabolisme  intraseluler  sistem biologis. Potensial redoks pada aktivitas mikroorganisme  mempengaruhi  proses  transformasi senyawa-senyawa  organik  dan  anorganik  serta keasaman  (Agustina,  2014).  Reaksi  reduksi  oksidasi terjadi  secara  bersamaan  di  dalam  sel.  Salah  satu faktor yang mendukung aktivitas metabolik mikroorganisme  adalah  potensial  redoks.  Reaksi  ini penting  untuk  mengatur  metabolisme  nutrisi  secara biologis  seperti  karbon,  hidrogen,  oksigen,  nitrogen, dan sulfur.
Ukuran  potensial  redoks  membantu  operator fermentor untuk mengetahui jumlah agen oksidasi dan memastikan  dalam  kisaran  yang  tepat  untuk pertumbuhan  sel,  terutama  ketika  oksigen  terlarut pada tingkat yang sangat rendah. Penentuan potensial redoks adalah sebuah pengukuran potensiometri yang dinyatakan sebagai milivolt (mV).
Teknologi  nanosensors  yang  dapat  menembus  ke dalam  sel-sel  individual  telah  dikembangkan  untuk mengukur potensial redoks intraseluler dan keseimbangan  redoks  intraseluler  yang  berdampak pada  metabolisme,  fisiologi  sel,  dan  rekayasa  dengan jalur redoks untuk mendapatkan hasil fermentasi yang diinginkan  secara  efisien  (Auchinvole  dkk.,  2012).  Di sisi lain potensial redoks ekstraseluler dapat dideteksi dengan  elektroda  potensial  redoks  secara  bersamaan dengan  potensial  redoks  intraseluler.  Strategi  kontrol potensial redoks dapat dikembangkan dan diterapkan untuk mengubah kondisi potensial redoks intraseluler dan  metabolisme.  Interaksi  antara  potensi  redoks lingkungan  dan  metabolisme  intraseluler  ditandai dengan transfer elektron dan keseimbangan redoks.
Beberapa  produk  fermentasi  yang  diproduksi pada  kondisi  sistem  mikroaerobik  atau  anaerobik,  di mana  oksigen  tidak  terdeteksi  oleh  oksigen  terlarut yang  diteliti  menghadirkan  tantangan  bagi  proses pemantauan.  Potensi  redoks  ekstraseluler  dapat dideteksi  dengan  mudah  karena  mempengaruhi intraseluler  homeostasis  redoks  dan  metabolisme sehingga  dapat  digunakan  untuk  mengontrol  profil produk  fermentasi  yang  dapat  dipakai  sebagai
alternatif untuk pemantauan dan pengendalian proses fermentasi tersebut. (Liu dkk., 2013).
Potensial redoks pada media fermentasi ditentukan  oleh  derajat  reduksi  yang  berbeda  seperti oksigen  terlarut.  Potensial  redoks  intraseluler didominasi  oleh  rasio  NAD(P)H/NAD  (P)  yang  dapat dipengaruhi  oleh  metabolisme  dan  potensial  redoks ekstraseluler.  Beberapa  bahan  kimia  seperti  oksigen terlarut  dapat  menembus  membran  untuk  bereaksi dengan metabolisme tereduksi dan teroksidasi secara langsung,  sedangkan  bahan  kimia  lainnya  tidak  dapat menembus sitoplasma karena dipengaruhi metabolisme  intraseluler  melalui  oksidoreduktase  di dalam  membran (Baker dan Lawen, 2000). Mengendalikan  potensial  redoks  dalam  sistem fermentasi  dapat  meningkatkan  konversi  ethanol mlalui  pengendalian  transfer  elektron  ke  dalam oksigen dan air di dalam sistem.
Di  antara  banyak  mikroorganisme  yang  telah dimanfaatkan  untuk  produksi  etanol, Saccharomyces cerevisiae masih  tetap  sebagai  spesies  utama.  Proses fermentasi  gula  atau  pati  dengan  bantuan  ragi tersebut  secara  enzimatis  menghasilkan  etanol  pada kondisi mikroaerobik. Ketika organisme terlibat dalam kultur  fermentasi,  faktor  lingkungan  seperti  oksigen terlarut dan kondisi mikroaerobik harus diperhitungkan.  Pendeteksi  oksigen  terlarut  tidak dapat  mendeteksi  jejak  oksigen  terlarut  dalam  strain fermentasi.  Namun,  potensial  redoks  standar  untuk O2/H2O  memiliki  potensial  paling  besar  di  antara semua  pasangan  redoks  yang  berhubungan  dengan metabolisme  intraseluler.  Oleh  karena  itu,  jika elektron  ditransfer,  oksigen  menjadi  akseptor  utama, sehingga  mengontrol  potensial  redoks  menjadi  lebih efektif untuk dilakukan.
Pada  kajian  teori  ini  membahas  tentang  jalur strategi  kontrol  potensial  redoks  pada  agitasi  dan aerasi  yang  mempengaruhi  proses  fermentasi terhadap  produk  etanol.  Potensial  redoks  pada fermentasi etanol dengan kadar gula sangat tinggi dan pengembangan  fermentor  pada  mikroaerobik,  serta penambahan  reaktan  untuk  kontrol  potensial  redoks. sehingga  didapatkan  proses  yang  lebih  efisien  pada kondisi  mikroaerobik  fermentasi  etanol  oleh  ragi Saccharomyces cerevisiae .

## 2. POTENSIAL REDOKS DALAM METABOLISME
Mekanisme  proses  saling  berhubungan  antara potensial  redoks  lingkungan  dan  metabolisme intraseluler.  Proses  fermentasi  oleh  enzim  di  dalam media  gula  dapat  berupa  elektron  transfer  dan kesetimbangan redoks. Akibatnya potensial redoks ini dapat  mengindikasikan  adanya  produk  yield  etanol yang tinggi.
Hal  ini  diawali  dari  oksigen  dapat  menembus  ke dalam  sitoplasma  dan  mempengaruhi  metabolisme intraseluler  melalui  reaksi  oksidoreduktase  di  dalam membran.  Alat  yang  digunakan  untuk  memonitor langsung  informasi  redoks  sistem  fermentasi  pada metabolisme  intraseluler  adalah  sebuah  sistem elektroda  potensial  redoks  seperti  sensor  terdiri
darilogam  inert  seperti  elektroda  platinum,  rhodium, iridium atau emas, dan biasanya perak.
Teknik  untuk  mendeteksi  potensial  redoks intraseluler  dalam  sitoplasma  biasanya  digunakan untuk  mengkarakterisasi  potensial  redoks.  Di  antara berbagai  pasangan  redoks,  nikotinamida  adenin dinukleotida  (NAD+)  dan  nikotinamida  adenin dinukleotida  fosfat  (NADP+)  yang  teroksidasi  adalah dua  kofaktor  utama  yang  menerima  elektron  dari molekul  lain  membentuk  NADH  dan  NADPH,  masing- masing,  membuat  pasangan  redoks  NADH/NAD+  dan NADPH/NADP+  sangat  dominan  dalam  metabolisme intraseluler.  Oleh  karena  itu,  potensial  redoks intraseluler  ditentukan  oleh  rasio  NADH  /  NAD+ seperti  pada  Gambar  1.  NADH  dihasilkan  dari  NAD+ melalui  katabolisme  reduksi  substrat  seperti  glukosa untuk  memberikan  tenaga  pada  berbagai  reaksi redoks,  dan  akibatnya  NAD+  diregenerasi  untuk keseimbangan  redoks.  Oksigen  terlarut  digunakan sebagai  penerima  elektron  terakhir  dalam  kondisi kultur  mikroaerobik,  tetapi  elektron  diterima  oleh metabolit  produk  antara  dengan  produk  fermentasi yang  dihasilkan  saat  oksigen  tidak  tersedia  dalam kondisi anaerob. Sebaliknya, NADPH berperan penting dalam  anabolisme  karena  banyak  jalur  metabolisme yang terlibat dalam biosintesis asam amino, lipida, dan nukleotida  menggunakan  NADPH  sebagai  reduktor, yang diproduksi melalui jalur fosfat pentosa. Selain itu, perbedaan  antara  NADH  dan  NADPH  juga  terlihat, seperti konversi ATP-driven NADH untuk NADPH oleh kinase NADH di S. Cerevisiae (Shi dkk., 2005).

## 2.1 Strategi Kontrol Potensial Redoks
Potensial  redoks  ditentukan  oleh  rasio  oksidatif reduktif zat dalam sistem fermentasi. Oleh karena itu, strategi  yang  diimplementasikan  untuk  mengatur potensial  redoks  berfokus  pada  pengubah  rasionya dan  strategi  lain  termasuk  modifikasi  regangan melalui  rekayasa  metabolik  dan  teknik  proses. Potensial  redoks  memiliki  pengaruh  yang  kecil  pada fermentasi etanol pada kondisi fermentasi gula sedang dan  konsentrasi  etanol  kurang  dari  11-12%(v/v) karena  peran  ragi  terhambat  oleh  adanya  etanol, sedangkan  gula  yang  tersisa  0,1-0,2%(w/v)  (Liu  dkk., 2011). Jika menggunakan kadar glukosa sangat tinggi, maka peningkatan produksi etanol sangat signifikan.
Kecepatan agitasi sangat mempengaruhi produksi etanol  pada  fermentasi  kadar  glukosa    sangat  tinggi. Dengan agitasi 200 ppm pada larutan glukosa 290 g/L dari  jus  sorgum  manis,  pada  kondisi  S.  Cerevisiae menggunakan desain susunan orthogonal. Fermentasi dilakukan pada suhu 30oC dengan kapasitas 2 L dalam bioreaktor.  Konsentrasi  ragi  yang  dimasukkan  adalah 2×107  sel/mL.  Fermentasi  ini    menghasilkan  kondisi optimal produk etanol pada agitasi 200 rpm produksi etanol  132,82  ±  1,06  g/L  (Khongsay  dkk.,  2012) dengan kombinasi parameter aerasi dapat mengetahui jumlah minimal oksigen yang diperlukan.
Produksi  etanol  dipengaruhi  oleh  faktor  aerasi. Walaupun  mikroaerobik  namun  tetap  dibutuhkan udara  yang  dalam  hal  ini  adalah  oksigen  untuk pertumbuhannya.  Kebutuhan  optimasi  aerasi  untuk
produksi  etanol  secara  intensif  dalam  proses fermentasi di mana pertumbuhan dan produksi harus dikelola  secara  bersamaan.  Kontrol  aerasi  ditujukan untuk  mengatur  potensi  redoks  dalam  fermentasi etanol (Lin dkk., 2010; Liu dkk., 2011; Yu dkk., 2007), yang  membutuhkan  sistem  umpan  balik  untuk pengendalian  potensial  redoks  dan  pengendalian untuk mengatur durasi aerasi supaya tingkat potensial redoks  lebih  rendah  dari  nilai  yang  ditentukan. Tingkat  potensial  redoks  pada  -150  mV  teramati optimal,  dan  memberikan  hasil  tertinggi  dalam membentuk  etanol  dan  produktivitas  etanol  sangat baik di bawah kondisi fermentasi VHG (Lin dkk., 2010; Yu, dkk., 2007).
Gambar 1. Interaksi potensial redoks dan sekitarnya terhadap metabolisme intraseluler (Khongsay dkk.,
2012)
Tabel 1. Peningkatan produksi etanol pada potensial redoks yang terkontrol Mikro- organisme Strategi  Hasil Ref. Zymomonas mobilis dan Saccharom yces cereviceae
Bio- reaktor elektro- kimia poten- sial redoks Produksi etanol 1,6 kali dari kondisi konvensional yaitu mencapai 2,1 molar. Jeon dan Park, 2010 Saccharomyces cereviceae Udara Potensial redoks -150 mV dianggap sebagai nilai terbaik untuk mencapai produktivitas lebih cepat dan hasil lebih tinggi. Liu dkk., 2010
Peningkatan yield etanol harus diimbangi dengan mempertahankan kelangsungan hidup sel yang tinggi. Proses  yang  berkesinambungan  dan  digabungkan
dengan aerasi berfungsi untuk merangsang pertumbuhan  sel-sel  ragi  untuk  mengganti  hilangnya ragi karena mati (Liu dkk., 2011).
Perbandingan  antara  bebeapa  proses  aerasi terhadap  produksi,  produktivitas  dan  yield  dapat disajikan  pada  Tabel  2.  Sistem  mikroaerobik menunjukkan bahwa ragi tetap membutuhkan oksigen walaupun  dalam  jumlah  yang  sangat  kecil  untu pertumbuhan  selama  proses  fermentasi.  Konsentrasi sel  ragi  mencapai  2,81  x  108  sel/mL  selama waktu  2 jam  sampai  waktu  akumulasi  etanol  dalam  media fermentasi  dari  jumlah  ragi  awal  2  x  107  sel/mL. Kondisi  optimum  untuk  fementasi  etanol  pada  aerasi 2,5  mmv  selama  4  jam  (Khongsay  dkk.,  2012).  Lama waktu  aerasi  oleh  beberapa  peneliti  sanagt  berbeda ada  yang  menggunakan  aeerasi  selama  45  jam  dapat meningkatkan  produk  etanol  (Alfenore  dkk.,  2004) sedangkan ada penelitian yang total fermentasi 54 jam namun  hanya  menggunakan  aerasi  4  jam  (Khongsay dkk.,  2012).  Hasil  yang  diperoleh  mengimplikasikan bahwa tingkat aerasi yang tepat sangat penting karena tidak  hanya  menambah  populasi  ragi,  tetapi  juga mengurangi  waktu  fermentasi.  Aerasi  optimal  pada fermentasi  dengan  kontrol  potensial  redoks  sampai mendapatkan  suplai  oksigen  yang  akurat  untuk memenuhi  kebutuhan  ragi  selama  fermentasi  dan untuk  menjaga  lingkungan  redoks  yang  stabil  untuk mencapai hasil etanol yang tinggi (Lui dkk., 2016).
Tabel 2. Produksi etanol pada sistem aerasi Sistem Produk etanol (g/L) Produktivitas rata-rata (g/L/jam) Yield Mikroaerobik 147 a 132,82 b 3,3 a 2,55 b 50% b Aerobik 131 a 2,6 a Tanpa aerasi 118,02 ± 1,19 b 2,19 ± 0,04 b ̴50% b

## Keterangan:  a Alfenore dkk., 2004 b Khongsay dkk., 2012
Jalur  metabolisme  glukosa  meenjadi  etanol  yang melibatkan  glikolisis  (Embden-Meyerhof-Parnas  atau EMP  pathway),  dimetabolisme  melalui  molekul glukosa, dan dua molekul piruvat diproduksi (Madigan dkk., 2000). Namun demikian tidak hanya jalur itu saja yang mempengaruhi fermentasi. Gambar 2 menjelaskan  keseimbangan  redoks  dalam  fermentasi etanol  oleh  ragi Saccharomyces ,  terkait  dengan  jalur glikosidik  dan  reduksi  asetaldehida  menjadi  etanol. Didasarkan  bahwa  fermentasi  etanol  adalah  proses redoks  yang  netral,  jika  hasil  biosintesis  metabolit seperti gliserol berada pada kondisi fermentasi kadar glukosa tinggi, akibatnya mempengaruhi keseimbangan  redoks,  membuat  kontrol  potensial redoks  lebih  efisien  untuk  produksi  etanol  (Liu  dkk., 2012).
Teknologi  terbaru  dalam  mengkontrol  dan meningkatkan etanol secara signifikan dalam fermentasi dengan cara bahan baku yang mengandung gula  lebih  dari  250  g/L  untuk  Keuntungan  kondisi tersebut adalah menghemat konsumsi energi
terutama pada proses distilasi etanol, biaya perawatan alat distilasi, dan biaya limbah hasil distilasi (Bai dkk., 2008).
Gambar 2. Keseimbangan redoks dalam fermentasi etanol oleh ragi Saccharomyces

## 2.2 Potensial Redoks pada Fermentasi Etanol dengan Kadar Gula Sangat Tinggi
Ketika  sel-sel  ragi  diinokulasi  ke  media  segar, oksigen terlarut sebagai akseptor elektron dikonsumsi dengan  cepat  melalui  respirasi  untuk  menghasilkan ATP  untuk  pertumbuhan,  dan  terjadi  penurunan potensial  redoks  secara  cepat  bersamaan  dengan penipisan oksigen terlarut. Metabolisme ragi dialihkan dari  fermentasi  etanol  pertumbuhan  aerobik  ke pertumbuhan anaerobik. Biosintesis gliserol diaktifkan untuk merespon kondisi tersebut. Penurunan substrat seperti glukosa dapat memperlambat  pertumbuhan  ragi  dan  fermentasi etanol, potensial redoks mulai meningkat karena lysis sel  ragi  dan  keluar  karena  metabolit  oksidatif  ke lingkungan.
Strategi  potensial  redoks  yang  harus  dilakukan adalah  kondisi  tekanan  berat  mengakibatkan  produk samping  yang  berupa  gliserol  yang  diharapkan  tidak banyak  karena  dapat  mengurangi  produksi  etanol seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  3.  Liu  dkk. (2011)  meyampaikan  bahwa  pengurangan  produksi gliserol  dilakukan  untuk  meningkatkan  etanol  dari gula  atau  pentosan  dari  biomassa  lignoselulosa. Demikian juga strategi rekayasa bioproses dikembangkan  untuk  meningkatkan  kelangsungan hidup  ragi  dan  produksi  etanol  di  bawah  kondisi fermentasi kadar gula tinggi (Liu dkk., 2011).
Fermentasi  sistem  tumpak  pada  medium  yang mengandung  glukosa  sangat  tinggi  298±3,8  g/L  telah menghasilkan  etanol  sebanyak  131,0±1,8  g/L  selama 72  jam  ketika  potensial  redoks  dikontrol  pada  -150 mV  (Liu  dkk.,  2012).  Namun  demikian  tetap  ada
glukosa  sebanyak  24,0  ±  1,1  g  glukosa/L  yang  tidak difermentasi. Jika ditinjau dari sudut pandang aplikasi industri  dapat  digunakan  strategi  fermentasi  dan konfigurasi  proses  seperti  sistem  fermentasi  tangki- seri.
Gambar 3. Proses fermentasi kadar gula sangat tinggi menggunakan ragi S. cerevisiae
Diantara  teknologi  fermentasi  etanol,  fermentasi kadar  glukosa  sangat  tinggi  menjanjikan  untuk aplikasi industri. Kinerja fermentasi etanol dari kadar gula    sangat  tinggi  dapat  lebih  ditingkatkan  dengan menerapkan kontrol potensi redoks. Pendekatan yang digunakan  untuk  mencari  potesial  redoks  optimal dengan  bahan  baku  glukosa  yang  berbeda  dan memperpanjang  fase  pertumbuhan  eksponensial dengan  memperpanjang  periode  potensial  redoks. Skema  aerasi  yang  dikontrol  untuk  mengkontrol potensial  redoks  dapat  dilakukan  bahwa  glukosa dikontrol,  masuk  sebagai  umpan  bersama  dengan oksigen  terlarut.  Skema  ini  memperpanjang  waktu pengontrolan  potensial  redoks  dengan  penyediaan glukosa yang mencukupi untuk kebutuhan ragi. Hal ini berfungsi  untuk  mempertahankan  glukosa  sisa  pada tingkat  rendah.    Hasilnya  menunjukkan  bahwa  yield etanol  semakin  meningkat.  Pengoperasian  skema  ini dilakukan  dalam  sistem  tumpak  yang  mengakibatkan penumpukan  ragi  dan  fermentasi  tidak  sempurna (Alfenore dkk., 2004).
Pada skema yang lain yaitu semi  tumpak, dimana aerasi  dikendalikan.  Laju  glukosa  konstan  bersama udara ditentukan oleh perangkat pengontrol potensial redoks.  Sistem  yang  digunakan  adalah  semi  tumpak dengan umpan yang baru ke dalam fermentor dengan
laju konsentrasi yang konstan dan debit keluaran yang digunakan  untuk  proses  fermentasi  dijaga  pada volume  yang  tidak  variatif.  Skema  ini  juga menggunakan  udara  steril  untuk  mengatur  potensi fermentasi redoks. Dalam fermentor, faktor intraseluler dan ekstraseluler harus pada kondisi tidak berubah  terhadap  waktu.  Dengan  demikian  tingkat pertumbuhan  dan  kelangsungan  hidup  ragi  konstan dapat  dipertahankan  sehingga  membantu  untuk memperpanjang durasi pengontrolan potensial redoks dan  untuk  memaksimalkan  manfaat  dari  kontrol potensial redoks. Skema ini menggunakan pengontrolan terpanjang dan hasil etanol tertinggi dan tidak  menghasilkan  luaran  glukosa  (Lin  dan  Liu, 2014).

## 2.3 Pengembangan Fermentor Mikroaerasi
Penerapan  fermentasi  etanol  melalui  sistem mikroaerobik  menggunakan  reaktor  tertutup  telah diteliti  oleh  Burmaster  (2006)  dengan  bahan  baku gula  tebu  atau  molase  membutuhkan  air  sekitar  55% sampai  90%  (b/b).  Setelah  air  dan  bahan  baku bercampur  dilakukan  penambahan  enzim  untuk memulai  pemecahan  enzimatik  kadar  pati.  Aerasi dilakukan melalui penambahan udara bertekanan atau oksigen  ke  dalam  larutan  untuk  menentukan  potensi oksidasi-reduksi  fermentasi  dan  mempertahankan potensial  tegangan antara  sekitar  -250  mV  ke  50  mV. Hal  ini  dilakukan  untuk  mencapai  fermentasi  yang paling  efisien  dan  mencapai  yield  etanol  maksimum dan sudah dipatenkan oleh Busmater (2006). Amonia dapat  dikurangi melalui  penambahan  larutan  kaustik. Sulfit,  bi-sulfit  atau  sulfur  dioksida  dalam  proses fermentasi  mengalami  oksidasi  melalui  penambahan udara  atau  oksigen  untuk  meningkatkan  potensial redoks.  Oksidan  hidrogen  peroksida  ditambahkan larutan  yang  terfementasi  untuk  mengangkat  potensi redoks.
Pada  Gambar  4  menjelaskan  tentang  fermentor yang  digunakan  untuk  sistem  mikroaerobik,  Larutan ragi  memasuki  fermentor  sampai  tingkat  tertentu, melalui pipa 1, bisa masuk melalui lokasi nozzle yang berbeda.  Udara  disemprotkan  langsung  ke  fermentor (pipa  no  2)  untuk  meningkatkan  potensial  redoks. Setelah  mencapai  potensi  reduksi  oksidasi  diinginkan tertentu, yang diukur baik sensor berlabel 5A atau 5B, udara  bertekanan  tinggi  di  pipa  nomor  3,  masuk melalui katup kontrol bernomor 4. Meter aliran udara di  pipa  6  untuk  memantau  jumlah  udara  yang mengalir  ke  penyembur  dari  peralatan  bernomor  7. Biasanya,  fermentor  berisi  agitator  dengan  motor (nomor  8A)  dan  impeler  (nomor  8B)  Fermentor diresirkulasi melalui bagian bawah fermentor melalui pipa  bernomor  9  dan  pompa  10.  Selama  fermentasi, semua cairan yang dikirim melalui pipa bernomor 11 dan  tidak  ada  cairan  melalui  pipa  bernomor  12. Penukar  panas  bernomor  13,  untuk  menghilangkan panas dari fermentasi. Biasanya, air dingin digunakan untuk  mempertahankan  suhu  fermentasi.  Cairan dingin  kemudian  masuk  kembali  ke  dalam  fermentor melalui  pipa  15.  Setelah  fermentasi  selesai,  etanol
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ju m lah (g) waktu (jam) glukosa etanol gliserol
keluar melalui pipa bernomor 12, dan tidak ada etanol yang masuk pada pipa bernomor 11.
Gambar 4. Fermentor pada sistem mikroaerobik (Burmaster, 2006)
Produksi  etanol  dibuat  dari  jus  sorgum  manis dalam sistem kontinu diaduk dalam tangki bioreaktor. Bioreaktor  merupakan  gabungan  dari  sebuah  tangki pengaduk  (CSTR)  dan  bioreaktor  tubular  aliran  plug (TB)  secara  seri  dengan  volume  kerja  total  3,32  L. Fermentasi  dilakukan  pada  suhu  30°  C  dengan Saccharomyces cerevisiae . Jus sorgum manis mengandung  glukosa  250  g/L  yang  berbeda  waktu tinggal dalam sistem fermentasi. Perbandingan antara sistem  CSTR  dan  sistem  gabungan  bioreaktor (CSTRR+TB)  pada  laju  0,007/jam  dihasilkan  produk seperti  yang  disajikan  ada  Tabel  3.  Penggunaan bioreaktor  CSTR  +  TB  dapat  meningkatkan  efisiensi produksi etanol (Liu dkk,. 2012).
Tabel 3. Perbandingan reaktor tunggal dan reaktor gabungan terhadap efisiensi produk etanol Sistem Produksi (g/L) Yield g/g Produktivitas (g/L/jam) CSTR 67,2828 ± 0,37 0,52 ± 0,01 0,47± 0,00 CSTR+TB 106,01  ± 0,47 0,50 ± 0,01 0,76 ± 0,02

## 2.4 Penambahan  Zat  untuk  Kontrol  Potensial Redoks
Gas  redoks-aktif  dapat  disemprotkan  ke  dalam sistem fermentasi untuk mengontrol potensial redoks. Pham  dkk  (2008)  penyemprotan  oksigen,  hidrogen, dan helium selama fermentasi etanol oleh S. Cerevisiae dapat  menciptakan  kondisi  potensial  redoks  yang berbeda  untuk  mempelajari  dampaknya  terhadap fisiologi dan metabolisme, yang memberikan wawasan untuk  produksi  etanol  yang  lebih  efisien  melalui
kontrol  potensial  redoks.  Penyemprotan  gas  lebih ekonomis (jika gas yang tersedia berharga murah) dan kompetitif sebagai kontrol potensial redoks pada skala besar  di  proses  industri  (Liu  dkk.,  2012).  Selain  gas yang  disemprotkan  untuk  membantu  potensi  redoks terdapat juga reaktan suplemensi.
Bahan  kimia  yang  digunakan  sebagai  suplemensi mempunyai  derajat  reduksi  yang  berbeda  seperti kalium  ferisianida  dan  metil  viologen  dapat melengkapi  sistem  fermentasi  sebagai  pembawa elektron  untuk  mempengaruhi  potensial  redoks lingkungan dan metabolisme intraseluler (Bagramyan dkk.,  2000).  Di  sisi  lain,  sistim  teroksidasi  dan NADH/NAD+  yang  berupa  pasangan  redoks  biologis, tidak  hanya  mempengaruhi  status  potensial  redoks, tetapi terlibat langsung dalam metabolisme intraseluler.
2.5 Pengembangan Skema Kontrol Redoks
Potensi  pengontrolan  redoks  dapat  mendukung pembentukan metabolit yang diinginkan dari metabolisme  intrasel.  Pengembangan    skema  potensi redoks  terkontrol  untuk  memaksimalkan  efek  pada fermentasi  etanol  dari  glukosa  dengan  kadar  sangat tinggi  yang  dilakukan  oleh  Liu  et  al  (2011).  Variasi skema  tersebut  adalah  pengontrolan  aerasi,  umpan glukosa  dikendalikan,  dan  gabungan  skema  yang dikemas dalam reaktor semi tumpak skema aerasi dan glukosa  yang  dikendalikan. Skema  ini  dilakukan  pada potensi  redoks  fermentasi  dengan  menambah  udara steril, media glukosa segar, atau kombinasi dari udara steril  dan  media  glukosa  segar  ke  fermentor  untuk mencegah  penurunan  potensial  redoks  karena pertumbuhan  ragi.  Skema  aerasi  terkontrol  pada  - 150mV  menghasilkan  keunggulan  dua  kali  potensial redoks lainnya terutama jika konsentrasi glukosa awal lebih  tinggi  dari  250  g/L.  Jika  pada  konsentrasi gliukosa  pada  200  g/L  maka  lama  potensial  redoks terkontrol  untuk  skema  kontrol  aerasi  lebih  pendek waktunya yaitu 2,5 jam, sedangkan pada pengontrolan konsentrasi  glukosa  yang  dikendalikan  adalah  21,7 jam,  dan  yang  tertinggi  adala  skema  kondisi  semi tumpak antara aerasi dan glukosa mencapai 64,6 jam pada  -150  mV.  Efisiensi  fermentasi  lebih  tinggi  pada skema  kontrol  glukosa  dan  aerasi  yang  mencapai 92,5% (Liu et al, 2011).

## 3. KESIMPULAN
Pelaksanaan  pengendalian  potensial  redoks memerlukan strategi kontrol Strategi potensial redoks terhadap  produk  etanol  harus  diimbangi  oleh kelangsungan  hidup  sel,  sehingga  diperlukan  agitasi 200 ppm dan aerasi 2,5 vvm yang optimal. Kandungan glukosa  yang  sangat  tinggi  290  g/L  menggunakan potensial redoks -150 mV. Fermentor dirancang untuk sistem  mikroaerobik  dengan  menggunakan  gabungan reaktor  berpengaduk  dan  turbular.  Penambahan  gas penyemprot yaitu oksigen, hydrogen dan heliumm dan bahan  kimia  kalium  ferrisianida  dan  metil  viologen untuk  potensial  redoks.  Skema  kontrol  dilakukan dengan  menggabungkan  aerasi  dan  glukosa  yang dikendalikan,  sehingga  memperlama  waktu  potensial
redoks  dan  kelangsungan  hidup  64,6  jam  untuk mencapai  proses  fermentasi  etanol  yang  efisien 92,5%.

## 4. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terimakasih atas kesempatan  dan  dukungan  yang  diberikan  Jurusan Teknik  Kimia,  Fakultas  Teknik,  Universitas  Negeri Semarang  untuk  mengkaji  beberapa  artikel  terkait dengan mata kuliah teknologi fermentasi

## 5.    DAFTAR PUSTAKA
Alfenore,  S.;  Cameleyre,  X.;  Benbadis,  L.;  Bideaux,  C.;
Uribelarrea,  J-L.;  Goma,  G.;  Molina-Jouve,  C.; Guillouet,  S.E.,  Aeration  strategy:  a  need  for  very high  ethanol  performance  in Saccharomyces cerevisiae fed-batch  process.  Applied  Microbiology and Biotechnology. 2004, 63(5), 537–542 .
Auchinvole,  C.A.R.;  Richardson,  P.;  McGuinnes,  C.;
Mallikarjun,  V.;  Donaldson,  K.;  McNab  ,H.; Campbell,  C.J.,  Monitoring  intracellular  redox potential  changes  using  SERS  nanosensors.  ACS Nano, 2012, 6(1), 888-896.
Bai,  F.W.;  Anderson,  W.A.;  Moo-Young,  M.,  Ethanol fermentation  technologies  from  sugar  and  starch feedstocks.  Biotechnology  Advances,  2008,  26(1), 89-105 .
Bagramyan  K.;  Galstyan  A.;  Trchounian  A.,  Redox potential  is  a  determinant  in  the  Escherichia  coli anaerobic  fermentative  growth  and  survival:
effects
of impermeable oxidant. Bioelectrochemistry, 2000, 51 (2),151–156.
Baker,  M.A.;  Lawen,  A.,  Plasma  membrane  NADH- oxidoreductase  system:  A  critical  review  of  the structural and functional data. Antioxidan & Redox Signaling, 2000,  2(2), 197–212.
Jeon, B.Y.; Hwang, T.S.; Park, D.H., Electrochemical and biochemical  analysis  of  ethanol  fermentation  of zymomonas  mobilis  KCCM11336,  Journal  of Microbiology and Biotechnology, 2009, 19(7), 666– 674.
Khongsay,  N.;  Laopaiboon,  L.;  Laopaiboon,  P.,
Improvement of Continuous Ethanol Fermentation from  Sweet  Sorghum  Juice  by Saccharomyces cerevisiae using  Stirred  Tank  Bioreactor  Coupling with  Plug  Flow  Bioreactor.  Chiang  Mai  Journal  of Science, 2015, 42(2), 282-293.
Burmaster,  B.M.,  A  Process  to  improve  ethanol  yield, decrese  fermentation  time  and  reduce  byproduct formation by monitoring and controlling oxidation reduction  potential  (redox)  of  the  fermentor  is disclosed, U.S. Patent US7078201 B2, 18 Juli 2006.
Khongsay, N.; Laopaiboon, L.; Jaisil, P.; Laopaiboon, P., 2012.  Optimization  of  Agitation  and  Aeration  for Very  High  Gravity  Ethanol  Fermentation  from Sweet  Sorghum  Juice  by Saccharomyces  cerevisiae
Using  an  Orthogonal  Array  Design.  Energies,  5, 561-576.
Lin, Y.-H.; Chien, W.S.; Duan, K.J., Correlations between reduction-oxidation  potential  profiles  and  growth patterns  of Saccharomyces  cerevisiae during veryhigh- gravity fermentation.
Process
Biochemistry. 2010.45(5), 765–770.
Lin,  Y-H.;  Liu,  C-G.,  Process  design  for  very-high- gravity  ethanol  fermentation.  Energy  Procedia, 2014, 61, 2725 – 2728.
Liu,  C.G.;  Wang,  N.;  Lin,  Y.H.;  Bai,  F.W.,  Very  high gravity  ethanol  fermentation  by  flocculating  yeast under  redox  potential-controlled  conditions. Biotechnology for Biofuels, 2012, 61(5),1-7
Liu,  C.G.;  Lin,  Y.H.;  Bai,  F.W.,  Development  of  redox potential-controlled  schemes  for  very-high-gravity ethanol  fermentation.  Journal  of  Biotechnology, 2011.153(1-2), 42–47.
Liu,  C.G.;  Xue,  C.;  Lin  Y-H.;  Bai  F-W.,  Redox  potential control  and  applications  in  microaerobic  and anaerobic  fermentations.  Biotechnology  Advances, 2013, 31(2), 257–265.
Madigan, M.T.; Martinko, J.M.; Parker, J., Brock biology of  microbiology  9th  ed,Prentice-Hall,  New  Jersey, 2000.
Pham, T.H.; Mauvais, G.; Vergoignan, C.; De Coninck, J.;
Dumont,  F.;  Lherminier,  J.;  Cachon,  R.;  Feron,  G., Gaseous  environments  modify  physiology  in  the brewing  yeast Saccharomyces  cerevisiae during batch  alcoholic  fermentation,  Journal  of  Applied Microbiology, 2008, 105(3),858–874.
Shi,  F.;  Kawai,  S.;  Mori,  S.;  Kono,  E.;  Murata,  K.,
Identification  of  ATP-NADH  kinases  isozymes  and their  contribution  to  supply  of  NADP(H)  in Saccharomyces  cerevisiae .  The FEBS  Journal,  2005, 272(13), 3337–3349.
Yu, Y.; Wang, Y.H.; Chu, J.; Zhuang, Y.P.; Zhang, S.L., The influence of controlling redox potential on ethanol production  by Saccharomyces  cerevisiae .  Chinese Journal  of  Biotechnology,  2007,  23(5),  878–884.