Abstrak— Kebutuhan  energi  dari  bahan  bakar  minyak bumi (BBM) didunia semakin tahun  mengalami peningkatan tajam. Salah satu energi alternatif yang didorong pemerintah Indonesia  adalah  dengan  memproduksi  bioetanol. Salah satu bahan  yang  sangat  berpotensial  sebagai  bahan  baku  utama dalam  pembuatan  bioetanol  adalah  nira  batang  tebu.  Upaya peningkatan  produktivitas  etanol  dilakukan  secara  kontinyu dikarenakan  pada  fermentasi  konvensional  terdapat  kendala pada  produktivitas  dan  konsentrasi  etanol  yang  rendah. Untuk  itu  perlu  dilakukan  penelitian  untuk  produksi  etanol dengan  keunggulan  keterpaduan  proses  dan  rendah  energi yang selanjutnya dapat dijadikan sebagai dasar desain untuk rancang  bangun  skala  industri  kecil.  Tujuan  dari  penelitian ini  adalah  untuk  mengetahui  performa  terbaik  dari  variasi mikroorganisme  dan  pelarut  yang  digunakan  dalam memproduksi etanol dengan proses fermentasi ekstraktif dan untuk  mengetahui  karakteristik  kinerja  sistem  fermentasi kontinyu  dalam  bioreaktor  packed  bed  dengan  variasi mikroorganisme.  Dalam  penelitian  ini  digunakan  macam variasi  mikroorganisme  Zymomonasmobilis  A3  termutasi dan  campuran  Saccharomyces  cerevisiae  dan  Pichiastipitis dengan  sistem  tanpa  recycle  dan  pelarut  n-Amyl  Alcohol. Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  diperoleh  kesimpulan bahwa  proses  fermentasi  kontinyu  dan  ekstraksi  tanpa recycle menggunakan Zymomonas  mobilis A3 dan pelarut n- Amyl Alkohol memberikan hasil produktivitas dan yield yang terbaik, yaitu sebesar 133,417 g/l.jam dan 35,049%.
Kata  Kunci —Etanol,  fermentasi  ekstraktif,  immobilisasi  sel, nira tebu, Zymomonas mobilis.

## 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. Seperti diketahui bersama,  produksi  minyak  di  Indonesia  saat  ini  per tahunnya  sebesar  55  juta  ton,  dimana  produksi  ini diperkirakan  hanya  dapat  mencukupi  kebutuhan  BBM  di Indonesia selama 10 tahun kedepan. Dari sumber lain juga disebutkan  jika  kebutuhan  energi  akan  meningkat  3,6% pada  tahun  2030.  Di  samping  itu,  tingkat  pencemaran udara  dari  gas  buang  hasil  pembakaran  bahan  bakar  fosil
yang  semakin  memprihatinkan  dan  patut  memperoleh penanganan.
Proses  fermentasi  dilakukan  terpadu  dengan  proses ekstraksi  yang  diharapkan  mampu  mengurangi  beban energi  saat  melakukan  proses  distilasi.  Untuk  melakukan proses  ekstraksi  perlu  digunakan  pelarut  yang  baik  dalam purifikasinya. Alkohol adalah salah satu kelas solven yang lebih  baik.  Pemilihan  pelarut  pada  proses  ekstraksi  etanol dari broth sintetis  dan broth fermentasi  dengan menggunakan  pelarut  n-amil  alkohol,  1-dodekanol,  dan  1- oktanol pada packed column ekstraktor menunjukkan hasil bahwa  performa  solven  untuk  ekstraksi  yang  paling  baik adalah  pelarut n-amyl alkohol [1].
Ada  beberapa  karakteristik  mikroorganisme  yang digunakan  untuk  fermentasi  antara  lain  mempunyai kemampuan  tumbuh  dan  berkembang  biak  dengan  cepat dalam  substrat  yang  sesuai,  dapat  menghasilkan  enzim dengan  cepat  untuk  mengubah  glukosa  menjadi  alkohol, mempunyai daya fermentasi yang tinggi terhadap glukosa, fruktosa,  galaktosa  dan  maltosa,  mempunyai  daya  tahan dalam lingkungan di kadar alkohol yang relatif tinggi, serta tahan  terhadap  mikroba  lain.  Dalam  proses  fermentasi untuk  menghasilkan  etanol  salah  satunya  dapat  memakai ragi  roti (Saccharomyces  cerevisiae) [2]  dan Zymomonas mobilis adalah  kandidat  mikroorganisme  yang  terbaik untuk industri alkohol [3].
Penelitian  ini  mengenai  proses  fermentasi-ekstraktif yang dilakukan secara kontinyu dan terpadu dalam reaktor packed  bed (fermentor)  menggunakan  teknik  imobilisasi sel  pada  κ-karaginan  sebagai supporting  matrice ,  dengan bahan baku nira tebu.

## II. METODE PENELITIAN

## Bahan
Bahan  nira  tebu  yang  digunakan  adalah  nira  tebu  hijau. Nira  ini  didapatkan  dari  pusat  pemerasan  nira  tebu  di daerah dekat Suramadu. Untuk bakteri Zymomonas mobilis A3dan yeast campuran Saccharomyces  cerevisiae dan Pichia  stipitis sudah  terdapat  di  Laboratorium  Teknologi Biokimia, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS

## Pengaruh Variasi Mikroorganisme dan Pelarut Dalam Produksi Etanol dari Nira Tebu

## ( Sachharum officinarum ) dengan Proses
Fermentasi Ekstraktif
Yusfa Anugrah Baihaki, Rana Rahdiana, Tri Widjaja Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS),
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya, 60111 Indonesia Phone :031-5940374, Fax :031-5999282 email : kajur_tkimia@its.ac.id
Peralatan
Peralatan yang digunakan adalah Packed Bed Bioreaktor,  Pompa  Peristaltik,  Spektrophotometer, Gas Chromatography ,  Inkubator  Shaker, Autoclave ,  Analitical Balance, Hot Plate stirer, Erlenmeyer, Beaker Glass , Gelas Ukur,  Kawat  Ose,  Corong  Pemisah,  Labu  Ukur,  dan Kolom Ekstaraktor.

## Kondisi Operasi
Kondisi  operasi  dan  dimensi  peralatan  penelitian  yang digunakan adalaha seperti tabel berikut:
Tabel 1. Kondisi Operasi dan Dimensi Peralatan Penelitian Keterangan Kondisi Operasi Proses Fermentasi kontinyu Konsentrasi Glukosa pH Suhu 152,3284028 g/L (15%) 4 29-30°C (suhu ruangan) Carrier immobilisasi қ-karaginan Berat bead 250 gram Konsentrasi қ-karaginan 3% Laju alir feed 10 mL/menit Laju alir pelarut 20 mL/menit Dillution rate 2,45 jam -1 Recycle ratio tanpa recycle Periode pengambilan sample 6 jam selama 90 jam Fermentor Tipe Packed bed Volume liquid dalam reaktor 245 mL Volume bead dalam reaktor 314 mL Tinggi Reaktor 52 cm Diameter Reaktor 3,7 cm Kolom Ekstraksi Tinggi 45 cm Diameter 3,2 cm Diameter Packing 2,5 cm Tinggi Packing dalam kolom 35 cm

## CaraKerja

## Pre-treatment Nira Tebu
Pretreatment  nira  siwalan  dilakukan  dengan  jalan memanaskan  nira  pada  suhu  80 o C  selama  20  menit, kemudian mendinginkannya hingga suhu ruangan. Kemudian  disterilisasi  menggunakan autoclave pada  suhu 121 o C  dan  tekanan  15  psia  selama  15  menit,  kemudian mendinginkannya hingga
suhu ruangan. Lalu menambahkan    5,19  g  (NH 4 ) 2 SO 4 ,  KH 2 PO 4 1,53  g, MgSO 4 .7H 2 O 0.55 gram sebagai media nutrisi [4].

## Pengembangan Kultur
Untuk
membiakkan campuran Saccharomyces cerevisiae dan Pichia  stipitis langkah  pertama  yang  perlu disiapkan  adalah  nira  siwalan  sebanyak  100  mL  dalam erlenmeyer  lalu  dipanaskan  hingga  suhunya  80 0 C  selama 10  menit  lalu  mendinginkan  hingga  suhunya  30 0 C.  Lalu
nira  siwalan  ditambah  dengan  media  nutrisi  (1  g (NH 4 ) 2 SO 4 ,  KH 2 PO 4 1  g,  MgSO 4 .7H 2 O  0.5  gram, yeast ekstrak 10 gram) [7]. Sebanyak 3 gram fermipan ditimbang di neraca analitik kemudian dimasukkan ke dalam 100 mL nira siwalan. Setelah nira siwalan dan fermipan tercampur, erlemeyer tersebut diinkubasi dalam incubator shaker pada suhu  36 o C  selama  15  jam.  Sedangkan  untuk Zymomonas mobilis termutasi dilakukan dengan
jalan menggoreskannya secara zig-zag pada media PDA ( Potato Dextrose Agar ) yang miring pada tabung reaksi. Kemudian diinkubasi dalam inkubator pada suhu 35 o C .

## Pembuatan Starter dan Immobilisasi Sel
Sebelum  proses  fermentasi  dan  ekstraksi  dilakukan, starter pelu dibuat dan sel diimobilisasikan terlebih dahulu. Langkah  yang  dilakukan  ialah  mengambil  biakan Zymomonas mobilis termutasi dengan kawat ose steril pada biakan agar miring yang telah diinokulasikan. Menanamkan biakan tersebut sebanyak 5 ose ke dalam 100 mL nira ditambah media nutrisi (1 g (NH 4 ) 2 SO 4 , KH 2 PO 4 1 g,  MgSO 4 .7H 2 O  0.5  gram, yeast ekstrak  10  gram).  Proses ini  disebut  pembuatan starter .  Kemudian  membiakkan dalam  inkubator shaker pada  suhu  30 0 C  selama  15  jam. Melarutkan  10  gram  karaginan  dalam  450  mL aquadest , kemudian  memanaskannya  pada  suhu  70 0 C  sampai  mulai terbentuk gel (pemanasan selama 15 menit). Mendinginkan larutan  Karaginan  hingga  suhu  50 0 C.  Mencampur  50  ml starter dengan  450  ml  larutan  karaginan  sehingga konsentrasi  larutan  campuran  menjadi  2%.50  mL  larutan campuran  tersebut  dicetak  dalam  1000  mL  larutan  KCl 3,5%,  hingga  terbentuk bead yang  diinginkan. Bead tersebut  mengeras  dalam  waktu  15  menit.  Mencuci bead dengan  larutan  NaCl  0,85%.  Untuk  meningkatkan pertumbuhan  sel, bead dimasukkan  dalam production medium (nira  untuk feed )  kemudian  diinkubasi  di  dalam inkubator shaker selama  24  jam. Bead disimpan  pada temperatur 4 o C sampai sel digunakan.

## Proses Fermentasi Ekstraktif
Pertama kali yang dilakukan ialah bead immobilisasi sel dimasukkan  dalam  fermentor.  Nira  steril  dialirkan  dengan pompa  peristaltik  ke  dalam  fermentor  (bioreaktor packed bed ),  dan  aliran  keluar  dari  fermentor  dialirkan  ke ekstraktor. Mengalirkan n-amyl alcohol yang
digunakansebagai  pelarut  ke  dalam packed  column secara counter-current .  Rafinat  dari  kolom  ekstaktor  ditampung lalu  dialirkan  ke  ekstraktor.  Mengambil sample hasil fermentasi  ( broth ),  ekstrak,  dan  rafinat  sebagai  sampel setiap 6 jam selama 90 jam.Menganalisa kadar glukosa sisa pada sample ( broth )  dengan  metode  DNS.  Menganalisa kadar etanol hasil ekstrak dengan metode GC.

## III. HASILDANPEMBAHASAN
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  performa terbaik  dari  varias  imikroorganisme  dan  pelarut  yang digunakan  dalam  memproduksi  etanol  dengan  proses fermentasi  ekstraktif  dan  untuk  mengetahui  karakteristik kinerja  sistem  fermentasi  kontinyu  dalam  bioreaktor packed bed dengan variasi mikroorganisme. Dalam hal ini, variasi mikroorganisme yang digunakan adalah
Zymomonas  mobilis  termutasi  A3  dan  campuran Saccharomyces  cerevisiae  dan  Pichia  stipitis.  Proses fermentasi yang digunakan adalah fermentasi kontinyu dan ekstraksi  secara  terintegrasi  dengan  immobilisasi  sel. Immobilisasi  merupakan  metode  penjebakan  (entrapment) dalam matriks berpori yaitu қ-karaginan .
Percobaan  fermentasi  kontinyu  diawali  dengan set  up alat  fermentor  yang  kemudian  sel  yang  diimmobilisasi dimasukkan  ke  dalam  kolom  fermentor  tersebut.  Sebelum percobaan dilakukan, terlebih dahulu dilakukan pengukuran  kadar  glukosa  dalam  nira  tebu  dengan menggunakan  metode  DNS  (asam  3,5-dinitrosalisilat)  dan didapatkan kadar glukosa sebesar  g/L. Untuk memperoleh kadar  glukosa  pada feed sebesar  15%  nira  siwalan ditambahkan aquadest hingga  volumenya  1  liter. Feed
yang  sudah  steril  kemudian  diumpankan  melalui  bagian bawah fermentor secara kontinyu.
Larutan  effluent  overflow  dari  titik  keluaran  di  bagian atas  bioreaktor  Packed  bed.  Untuk  mencegah  agar  bead tidak  terikut  keluar,  bead  ditahan  dengan  kawat  jaring penahan  dengan  diameter  yang  kecil  di  bagian  atas fermentor  dan  bagian  bawah  fermentor  juga  diberi  kawat jaring penyangga agar penyaring tidak bergeser. Broth dari fermentor diambil setiap 6 jam  selama 90 jam. Setelah 90 jam,  broth  dialirkan  ke  dalam  kolom  ekstraksi  dan dibiarkan  untuk  memenuhi  ¾  dari  kolom.  Selanjutnya broth    dalam  kolom  ekstraksi  dikontakkan  dengan  solven yang  dialirkan  secara  countercurrent.  Solven  yang digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  N  -amyl  alcohol dengan  rate  20  mL/menit.  N  –  amyl  alcohol  merupakan alkohol  dengan  jumlah  atom  C5,  dimana  alkohol  dengan atom C1-C10 dapat bersifat toksik terhadap mikroorganisme  fermentasi  [6].  Namun  n-amyl  alcohol tetap digunakan sebagai pelarut dalam proses ekstraksi ini sebab  dapat  melakukan  proses  purifikasi  etanol  hasil fermentasi  dengan  lebih  baik  dibandingkan  solven  yang lain [3].
Pengaruh  Jenis  Mikroorganisme  terhadap Yield dan Produktivitas Etanol yang Dihasilkan
Berdasarkan hasil penelitian terdapat selisih yang cukup jauh  baik  untuk yield dan  produktivitas  etanol  yang dihasilkan  oleh Z.mobilis dan  campuran S.cerevisiae dan P.stipitis . Selain karena kelebihan dari Z.mobilis yang telah dijelaskan  pada  poin  sebelumnya,  faktor  kondisi  operasi
saat  fermentasi  juga  menjadi  salah  satu  penyebabnya. Berdasarkan  penelitan  Arroyo-Lopez  et  al  [8]  mengenai efek  suhu,  pH  dan  konsentrasi  gula  terhadap  parameter pertumbuhan Sachharomyces cerevisiae disebutkan bahwa pH  optimum  pertumbuhan  dari yeast ini  adalah  4,6. Sedangkan  pada  kondisi  operasi  penelitian  ini,  pH  yang digunakan  adalah  4.  Karena  sifat  tidak  tahan  asam  dari Sachharomycess cerevisiae ini yang menyebabkan produktivitas dan yield yang dihasilkan dari campuran Saccharomyces  cerevisiae dan Pichia  stipitis ini tergolong  rendah  jika  dibandingkan  dengan Zymomonas mobilis .

## IV. KESIMPULAN
Kesimpulan  penelitian  ini  adalah  proses  fermentasi kontinyu  dengan  ekstraksi  secara  terintegrasi  dengan konsentarasi awal substrat 15% menggunakan Zymomonas mobilis termutasi  A3  dengan  pelarut N-amyl  alcohol memberikan yield dan  produktivitas  yang  lebih  baik  jika dibandingkan dengan campuran Saccharomyces cerevisiae dan Pichia  stipitis yaitu  masing-masing  sebesar 35,049% dan 133,417 gram/L.jam.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  Y.A.B  dan  R.R  mengucapkan  terima  kasih kepada Direktorat Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan  dan  Kebudayaan  Republik  Indonesia  yang telah  memberikan dukungan  finansial  melalui  Dana Hibah Penelitian tahun 2013-2014.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Widjaja, T., Altway, A., Purwantiningsih, I., Praba, A., 2012. Liquid- liquid Extraction to Separate Ethanol from Synthetic Broth Using n- Amyl  Alcohol  and  1-Dodecanol  as  Solvent  in  Packed  Column. International Review of Chemical Engineering (I.RE.CH.E.). Vol. 4. N.6
[2] Barros,  M.R.A.,  J.M.S  Cabra  dan  J.M.Novais,  1986, Production Ethanol  by  Immobilized  Saccharomyces  Bayanus  in  an  extractive Fermentation System , Biotechnology and Bioengineering Vol XXIX hal 1097-1104.
[3] Gunasekaran,  P.  dan  Raj,  K.C.  1999. Fermentation  Technology- Zymomonasmobilis ,  Departement  of  Microbial  Technology,  School of Biological Sciences, Mandurai Kamaraj University: India.
[4] Cazetta,  M.L.,  Celligoi,  M.A.P.C., Buzato,  J.B., dan  Scarmino,  I.S. 2007. Fermentation of Molasses by Zymomonas mobilis : Effects of Temperature  and  Sugar  Concentration  on  Ethanol  Production , Science Direct Elsevier, Bioresource Technology 98, 2824-2828.
[5] Goksungur,  Y.  dan  Zorlu,  N.  2000.  Production  of  Ethanol  From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed- Bed Bioreactor, Turk J Biol, 25, 265-275.
[6] Offemen,D.,  Richard,  K.Stephenson,  Serena,  Franqui,  Diana, L.Cline,  Jessica.  2008. Extraction  of  ethanol  with  higher  alcohol aolvents  and  their  toxicity  to  Yeast ,  New  York:  Elsevier  Scientific Publishing Company, Asterdam-Oxford.
[7] Goksungur,  Y.  dan  Zorlu,  N.  2000.  Production  of  Ethanol  From Beet Molasses by Ca-Alginate Immobilized Yeast Cells in a Packed- Bed Bioreactor, Turk J Biol, 25, 265-275.
[8] Noe Arroyo-Lopez, F., Orlic, S., Querol, A., Barrio, E. 2009. Effects of  temperature,  pH  and  sugar  concentration  of  the  growth parameters  of  Saccharomyces  cerevisiae,  S.  kudriavzevii  and  their interspecific hybrid , Science Direct Elsevier, International Journal of Food Microbiology 131, 120-127.
Gambar  1.    Set-Up  Peralatan  Fermentasi-Ekstraktif  Kontinyu  Terpadu dalam Reactor Packed-Bed Tanpa Recycle