KINETIKA FERMENTASI LIMBAH KULIT NANAS DAN PRODUKTIVITAS ETANOL
Alice Pramashinta a , Abdullah a a Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang, Indonesia Jl. Prof Sudharto Tembalang Semarang Email : alicepramashinta@gmail.com

## Abstract
In this research studied the effect of initial total sugar concentration of pineapple peel waste in cell concentration, total sugar consumption and ethanol production  profile. Pineapple peel fermentation is done by batch system for 60 hours  with various intial  total sugar 30, 50 and 70 g/L. Batch fermentation  profiles showed that the optimum  total  sugar  concentration  was 70 g/L  which resulted highest  ethanol productivity 0.617  g/L/h  when  compared  with  total  sugar  concentration  30  g/L  and  50  g/L.  Kinetic  parameters  of Saccharomyces cerevisiae in  batch fermentation using  pineapple peel waste as substrate  were also studied. Growth  kinetic  parameter  was  determined  by  Monod  equation.  Growth  rate  specific  maximum 0.032 jam -1 and Monod constant K s 17.18 g/L.
Keywords : bioethanol, pineapple, batch, kinetic , Saccharomyces cerevisiae

## Abstrak
Pada  penelitian  ini  akan  dipelajari  pengaruh  konsentrasi  gula  total  awal  dari  limbah  kulit  nanas pada  profil  pembentukan  sel,  konsumsi  gula  total  dan  produksi  etanol.  Fermentasi  limbah  kulit  nanas dilakukan  dengan  sistem  batch  selama  60  jam  dengan  variasi  gula  total  awal  sebesar  30,  50  dan  70  g/L. Profil  fermentasi  batch  menunjukkan  bahwa  konsentrasi  gula  total  optimum  adalah  70  g/L  yang menghasilkan produktivitas etanol tertinggi  0,617 g/L/jam bila dibandingkan dengan konsentrasi  gula  total 30 g/L dan 50 g/L. Parameter kinetika dari Saccharomyces cerevisiae dalam fermentasi batch menggunakan limbah  kulit  nanas  sebagai  substrat  juga  dipelajari.  Parameter  kinetika  pertumbuhan  ditentukan  dengan persamaan  Monod.  Kecepatan  pertumbuhan  spesifik  maksimum 0,032  jam -1 dan  konstanta  Monod  K s 17,18 g/L.
Kata kunci : b ioetanol, nanas, batch, kinetika , Saccharomyces cereviseae
P ENDAHULUAN
Etanol  atau  disebut  dengan ethyl alcohol ,  atau  EtOH,  CH 3 -CH 2 -OH.  Manfaat dari  etanol  yaitu  sebagai  pelarut,  germisida, kosmetik,  minuman,  bahan  baku  industri, bahan  anti  beku  dan  bahan  bakar    (McKetta et  al. ,  1983).  Etanol  merupakan  cairan volatile  yang  mudah  terbakar,  jernih  dan tidak  berwarna,  berbau  khas  serta  mudah larut  dalam  air  (Kirk  and  Othmer,  1951). Bioetanol  adalah  biofuel  cair  yang  dapat diproduksi dari bahan baku seperti biji-bijian, molasses,  buah-buahan  dan  limbah  atau biomassa  dari  tumbuhan  sehingga  dapat diperbaharui  (Akpan et  al. ,  2005).  Bioetanol sebagai bahan bakar alternatif dapat
memberikan  kontribusi  pada  pengurangan emisi  gas  CO 2 hasil  pembakaran  minyak bumi  (Govindaswamy  and  Vane,  2007). Kandungan  oksigen  dalam  bioetanol  sebesar 35%, yang akan mengurangi jumlah partikulat  dan  emisi  NO x hasil  pembakaran (Balat et al. , 2008).
Nanas  ( Ananas  comosus L.  Merr.)  adalah anggota dari family Bromeliaceae (monokotil)  dan  terdiri  dari  sekitar  200 species  dengan  produksi  tahunan  di  seluruh dunia  lebih  dari  14  juta  ton  (Brat et  al. , 2004).  Buah  nanas  berasal  dari  Brazil  dan telah  tersebar  ke  berbagai  negara  tropis  dan subtropis di seluruh dunia (Dhar et al. , 2008). Limbah  pertanian  merupakan  sumber  daya
KINETIKA FERMENTASI LIMBAH KULIT NANAS ….. (Alice dkk)
terbarukan  dan  dapat  dimanfaatkan  bagi bioteknologi  dengan karakteristik  tidak beracun, dalam jumlah besar, dapat diregenerasi,  murah  dan  mampu  mendukung pertumbuhan  biomassa  (Dhanasekaran et  al. , 2011).  Pabrik  pengalengan  nanas  hampir 67%  dari  buah  yang  terdiri  dari  41%  kulit, 6%  jonggol  atau  inti,  20%  mahkota  tidak dimanfaatkan  dan  dibuang  sebagai  limbah yang  menyebabkan  pencemaran  lingkungan (Medina  and  García,  2005).  Kandungan bahan  kering  dari  nanas  sekitar  10%  terdiri dari  96%  bahan  organik  dan  4%  bahan anorganik. Limbah nanas mengandung bahan organik  dengan  konsentrasi  tinggi  dan padatan  tersuspensi.  Selain  dampak  negatif yang ditimbulkan dari limbah nanas, terdapat potensi  untuk  direcycle  menjadi  bahan  baku yang  dikonversi  menjadi  produk  yang  lebih bernilai  (Abdullah,  2007).  Karakteristik limbah nanas yang digunakan pada penelitian   ini  dapat  dilihat  pada Tabel 1.
Tabel 1. Karakteristik Limbah Kulit Nanas yang Digunakan
Saccharomyces cerevisiae atau disebut dengan baker’s yeast merupakan
mikroorganisme  bersel  tunggal  berukuran  5- 20  mikron. Saccharomyces  cerevisiae sering digunakan  dalam  industri  bioetanol  (Prescott et al. , 1959).
Kinetika  fermentasi  batch  diperlukan untuk  merancang  ukuran  fermentor  dan peralatannya. Hasil kinetika fermentasi batch akan memperkirakan kecepatan pertumbuhan dan  pembentukan  produk  (Russel,  1987). Model kinetika terdiri dari kinetika pertumbuhan  sel,  penggunaan  substrat  dan pembentukan  produk  (Pinelli et  al. ,  1997). Laju  pertumbuhan  sel  µ  (jam -1 )  menurut Persamaan Monod (Keller and Dunn,1987) :
(1)
Dimana S adalah konsentrasi substrat (g/L)  ;K s adalah  konstanta  Monod  serta  µ max
adalah laju pertumbuhan  spesifik maksimum. Fase  pertumbuhan  sel  yeast  pada  fermentasi batch  meliputi  fase  :  lag;  akselerasi; eksponensial;  deselerasi;  stasioner;  kematian (Scraag, 1988). Fase pembentukan sel paling aktif yaitu pada fase eksponensial yang mana akan  digunakan  untuk  penentuan  parameter kinetika.  Dari  neraca  massa  komponen biomassa,  substrat  dan  etanol  serta  substitusi Persamaan (1) maka didapatkan persamaan :
= . ( ) .X (2) = – . ( ) . X   (3)
=  Y p/x . . ( ) . X     (4)
Dimana  X  adalah  konsentrasi  sel (g/L),  S  adalah  kosentrasi  substrat  (g/L),  P adalah  konsentrasi  etanol  (g/L),  Y x/s adalah yield  biomassa  pada  penggunaan  substrat  (g sel/g substrat), Y p/x adalah yield pembentukan  etanol  terhadap  massa  sel  (g etanol/ g sel) dan t adalah waktu (jam).
Persamaan  diatas  akan  digunakan untuk menentukan parameter kinetika pertumbuhan  yeast.  Parameter  kinetika  akan diselesaikan dengan menggunakan
MATLAB.
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah untuk  mendapatkan  konsentrasi  gula  total awal  optimal  yang  dapat  menghasilkan produktivitas  etanol  tertinggi  serta  dapat menentukan parameter  kinetika pertumbuhan sel yeast fermentasi batch limbah kulit nanas.

## BAHAN DAN METODE PERCOBAAN
Limbah  kulit  nanas  akan  digunakan sebagai  substrat  yang  mengandung  sumber karbon  untuk  fermentasi  etanol,  diperoleh dari  Pasar  Peterongan,  Semarang.  Limbah kulit nanas diekstrak dengan mencampur 250 gr kulit nanas dalam 350 mL air menggunakan  blender  selama  3  menit. Kemudian  untuk  menghilangkan  padatan yang  terkandung  di  dalam  jus  limbah  kulit nanas, maka dilakukan penyaringan menggunakan kain. Cairan hasil penyaringan dipanaskan  selama  5  menit  yang  akan membuat  partikel  mengendap  pada  suhu ruangan.  Kemudian  partikulat  dihilangkan dengan sentrifugasi pada 4000 rpm selama 15 menit. Parameter Konsentrasi (g/L) Gula reduksi Gula total Kjeldahl nitrogen pH 53,4 79,1 0,224 4,5
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0 20 40 60 k on se n tr as i et an ol g/L waktu (jam) 30 g/L 50 g/L 70 g/L 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 0 20 40 60 k o n sen tra si g u la to ta l g /L waktu (jam) 30 g/L 50 g/L 70 g/L

## METANA, Vol. 10 No. 01, Juli 2014, Hal. 12 - 17
Supernatan  dari  limbah  kulit  nanas  yang jernih  kemudian  disimpan  pada  suhu  -20 o C sampai digunakan (Tanaka et al. , 1999).
Mikroorganisme yang digunakan adalah baker’s yeast komersial Saccharomyces  cerevisiae dengan  merek Pakmaya  (Pakmaya  gold  instant  dry  yeast, Istanbul, Turki).
Proses  fermentasi  pada  beaker  glass 1,5  L  dengan  volume  substrat  1  L  yang disterilisasi menggunakan
metode pasteurisasi  yaitu  pemanasan  dengan  suhu 62 o C  selama  30  menit. Baker’s yeast  dengan konsentrasi  1  gr/L  ditambahkan  ke  dalam fermentor dan nutrien urea sebesar 0,964 g/L. Proses  fermentasi  dilakukan  selama  60  jam. Suhu  fermentasi  28-30 0 C  (suhu  ruangan) serta  nilai  pH  awal  diatur  4,5.  Sampel diambil  sebanyak  10  mL  dari  fermentor untuk  dianalisis  konsentrasi  gula  total, konsentrasi sel dan konsentrasi etanol.
Konsentrasi sel diukur dengan menggunakan  kurva  densitas  optik  sebagai fungsi  dari  berat  sel  ( dry  cell  weight ).  Dry cell  weight  ditentukan  dengan  sentrifugasi sampel  pada  4000  rpm  selama  15  menit. Supernatan  diambil  dengan  pipet  dan  pellet dicuci  dua  kali  menggunakan  air  dan kemudian  disentrifugasi  kembali.  Sel  yang telah  dicuci  dikeringkan  sampai  beratnya konstan  pada  suhu  60 o C.  Densitas  optik diukur menggunakan Spektrofotometer Optima  SP-300  pada  620  nm  (Aeschlimann and Stockar, 1987; Monteagudo et al. , 1997).
Dry  cell  weight  diestimasi  menggunakan kurva  standar.  Konsentrasi  gula  total  diukur dengan  metode  DNS  dan  diukur  absorbansi larutan  sampel  pada  540  nm  (Ceirwyn, 1995).  Konsentrasi  dari  gula  total  diukur menggunakan kurva standard dari konsentrasi  glukosa.  Konsentrasi  etanol diukur dengan menggunakan acidified dichromate dan  dibaca  absorbansinya  pada panjang  gelombang  600  nm  (Crowell  and Ough, 1979).
HASIL PERCOBAAN DAN

## PEMBAHASAN
Limbah  kulit  nanas  yang  digunakan mengandung  tiga  jenis  gula  yaitu  sukrosa, glukosa  dan  fruktosa.  Dalam  penelitian  ini perhitungan  konsentrasi  gula  dilakukan
dalam  bentuk  gula  total,  dan  divariasikan konsentrasinya  30  g/L,  50  g/L  dan  70  g/L. Profil  pembentukan  sel,  konsumsi  gula  total dan  pembentukan  etanol  dapat  dilihat  pada Gambar 1., Gambar 2. dan Gambar 3.
Gambar 1. Profil pertumbuhan sel pada konsentrasi gula total yang berbeda
Gambar 2. Profil penggunaan substrat pada konsentrasi gula total yang berbeda
Gambar 3. Profil produksi etanol pada konsentrasi gula total yang berbeda
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 0 20 40 60 k on se n tr as i se l g/L waktu (jam) 30 g/L 50 g/L 70 g/L

## KINETIKA FERMENTASI LIMBAH KULIT NANAS…..
(Alice  dkk)
Gambar 1. menunjukkan kurva pembentukan sel  pada  sistem  batch.  Ketiga  kurva pertumbuhan  sel  dengan  konsentrasi  gula total  awal  berbeda,  memiliki  profil  yang hampir sama yaitu fase lag, fase eksponensial dan  fase  stasioner.  Konsentrasi  gula  total awal  30  g/L  pertumbuhan  selnya  tidak optimal  seperti  pada  konsentrasi  gula  total awal 50 g/L dan 70 g/L. Profil konsumsi gula (Gambar 2.) dan produksi etanol (Gambar 3.) menunjukkan bahwa dengan naiknya konsentrasi  gula  total  awal  maka  akan semakin  banyak  pula  etanol  yang  dihasilkan oleh  yeast,  akan  tetapi  konsentrasi  gula  total awal  tertinggi  memiliki  batas  tertentu  sesuai dengan  hasil  penelitian  yang  dilakukan  oleh (Hunag et  al. ,  2012).  Yield    etanol  terhadap substrat  tertinggi  yaitu  0,259  g/g  diperoleh pada  konsentrasi  gula  total  awal  70  g/L. Dengan membandingkan profil pembentukan sel  dan  pembentukan  produk  menunjukkan bahwa  fermentasi  batch  limbah  kulit  nanas diklasifikasikan  sebagai growth  associated dimana  etanol  diproduksi  secara  simultan dengan  pertumbuhan  sel.  Dari  Gambar  4. dapat  dilihat  bahwa  produktivitas  etanol paling tinggi sebesar 0,617 g/L/jam pada jam ke-30  dengan  konsentrasi  gula  total  awal  70 g/L.  Dari  penjelasan  di  atas  maka  dapat disimpulkan  konsentrasi  gula  total  paling optimum untuk fermentasi batch limbah kulit nanas adalah sebesar 70 g/L.
Gambar 4. Produktivitas etanol
Parameter  kinetika  fermentasi  batch  limbah kulit  nanas  dengan  konsentrasi  gula  total awal  sebesar  70  g/L  dihitung  dengan Persamaan (4), (5) dan (6) dengan
MATLAB.  Hasil  perhitungan  parameter kinetika disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Parameter kinetika untuk produksi etanol pada fermentasi batch limbah kulit nanas Parameter (Penelitian ini, 2014) (Shafaghat et al. , 2009)
(jam -1 ) K s (g/L)
Y x/s (g sel/g substrat) α (g produk/g sel) 0,032 17,18 0,016 18,85 0,65 11,39 0,043 - Penelitian yang dilakukan oleh Shafaghat et  al. (2009)  dilakukan  pada substrat  glukosa  dengan  konsentrasi  awal sebesar 35 g/L. Hasil parameter kinetika yang berbeda  disebabkan  substrat  yang  digunakan pada  penelitian  ini  lebih  kompleks  karena mengandung  tiga  jenis  gula  yaitu  sukrosa, glukosa dan fruktosa.

## KESIMPULAN
Pemanfaatan  limbah  kulit  nanas  untuk produksi  bioetanol  sangat  menjanjikan. Dalam  penelitian  ini  diperoleh  konsentrasi gula  total  awal  terbaik  sebesar  70  g/L,  yang menghasilkan  konsentrasi  etanol  tertinggi sebesar 18,52 g/L. Semakin tinggi konsentrasi  gula  maka  akan  semakin  tinggi pula  konsentrasi  etanol  yang  dihasilkan. Produktivitas  etanol  maksimum  dengan menggunakan konsentrasi gula total 70 g/L.

## DAFTARPUSTAKA
Abdullah. (2007), “Solid  and  liquid pineapple waste utilization for lactic acid fermentation usingLactobacillus delbueckii” , Jurnal  Reaktor ,  Vol.  11  No.  1,  pp. 50–52.
Aeschlimann,  A.  and  Stockar,  U.V.  (1987), “The production of lactic acid from Whey  permeate.” , In  Abstract  of Fourth European Congress on
Biotechnology , Vol. 2, pp. 132–135.
Akpan,  U.G.,  Kovo,  A.S.,  Abdullahi,  M.  and Ijah, J.J. (2005), “The production of
0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0 20 40 60 P ro du k ti v ita s (g /L/ ja m ) waktu (jam) 30 g/L 50 g/L
70 g/L
METANA, Vol. 10 No. 01, Juli 2014, Hal. 12 - 17
ethanol  from    maize  cobs  and groundnut  shells” , AU  J.  Technol , Vol. 9, pp. 106–110.
Balat,  M.,  Balat,  H.  and  Oz,  C.  (2008),
“Progress in
bioethanol processing” , Progress in Energy and Combustion  Science ,  Vol.  34,  pp. 551–573.
Brat,  P.,  Hoang,  L.N.T.,  Soler,  A.,  Reynes,
M.  and  Brillouet,  J.M.  (2004),
“Physicochemical  characterization of new pineapple hybrid” , Journal of Agricultural  and  Food  Chemistry , Vol. 52, pp. 6170–6177.
Ceirwyn,  S.J.  (1995), Analytical  Chemistry Food , Blackie Academic & Professional, London, pp. 84–125. Crowell,  E.A.  and  Ough,  C.S.  (1979), “A modified  procedure  for  alcohol determination by
dichromate oxidation” , Am.  J.  Enol.  Vitic ,  Vol. 30 No. 1, pp. 61–63.
Dhanasekaran,  D.,  Lawanya,  S.,  Saha,  S., Thajuddin, N. and Panneerselvam, A.
(2011), “Production  of  single  cell protein  from  pineapple  waste  using yeast.” , Innovative  Romanian  Food
Biotechnology. , Vol. 8, pp. 26–32.
Dhar,  M.,  Rahman,  S.M.  and  Sayem,  S.M.
(2008), “Maturity  and  post  harvest study  of  pineapple  with  quality  and shelf life under red soil.” , International Journal of Suistainable Crop  Production. ,  Vol.  3  No.  2,  pp.
69–75.
Govindaswamy,  S.  and  Vane,  L.M.  (2007), “Kinetics  of  growth  and  ethanol production  on  different  carbon substrate using genetically engineered xylose-fermenting yeast” , Bioresource  Technol ,  Vol. 98, pp. 677–685.
Hunag,  W.-H.,  Shieh,  G.S.  and  Wang,  F.-S.
(2012), “Optimization  of  fed-batch fermentation  using  mixture  of
sugars to produce ethanol” , Journal of  the  Taiwan  Institute  of  Chemical Engineers , Taiwan Institute of Chemical  Engineers,  Vol.  43  No.  1,
pp. 1–8
Keller,  R.  and  Dunn,  I.  (1987), “Fed-batch microbial  culture:  models,  errors and application”, J.  App.  Chem. Tech. Biotechnol., Vol. 28, pp. 508– 514.
Kirk,  R.E.  and  Othmer,  R.F.  (1951),
Encyclopedia of Chemical Technology, John  Wiley  and  Sons Ltd., Canada, 9thed
McKetta,  J.,  J.  and  Cunningham,  W.A. (1983), Encyclopedia  of  Chemical Processing  and  Design ,  Marcel Dekker, Inc., New York and Bessel.
Medina,  J.D.L.C.  and  García,  H.S.  (2005), “Post-harvest Operations” .
Monteagudo,  J.M.,  Rodriguez,  L.,  Rincon,  J.
and  Fuertes,  J.  (1997), “Kinetics  of lactic acid
fermentation Lactobacillus  delbrueckii  grown  on beet  molasses” , J.  Chem.  Tech. Biotechnology , Vol. 68, pp. 271–276.
Pinelli,  D.,  Vara,  A.G.  and  Magelli,  F.
(1997), “Assement  of  kinetics models  for  the  production  of  D and L  lactic  acid  isomer  by L.  casei  and L.  cornyniformis  in  continuous fermentation” , Journal of Fermentation  and  Bioengineering , Vol. 83 No. 2, pp. 209–212.
Prescott,  Cate,  S.  and  Dunn,  C.G.  (1959), Industrial  Microbiology, McGraw- Hill Book Company, Inc., New York.
Russel,  P.D.  (1987), Fermentation  and bioreactor  design ,  Elsevier  apllied science, London
Scraag,  A.H.  (1988), Biotechnology  for Engineers,  Biological  System  in Technological Processes , John
Wiley and Sons Ltd., England.

## KINETIKA FERMENTASI LIMBAH KULIT NANAS…..
(Alice  dkk)
Shafaghat,  H.,  Najafpor,  G.D.,  Rezaei,  P.S.
and Sharifzadeh, M. (2009),
“Growth  kinetics  and  ethanol productivity of
Saccharomyces cerevisiae  PTCC  24860  on  various carbon  sources” , World  Applied Sciences  Journal ,  Vol.  7  (2),  pp. 140–144.
Tanaka,  K.,  Hilary,  Z.D.  and  Ishizaki,  A. (1999), “Investigation  of  the  utility of  pineapple  juice  and  waste  as material  low-cost  substrate  for ethanol
fermentation
by Zymomonas  mobilis” , Journal  of Biochemical  and  Bioengineering , Vol. 87 No. 5, pp. 642–646