5/17/2018 646-ki-ft-06-a

1/12

HIBAH BERSAING

LAPORAN KEGIATAN

Pembuatan Asam Sitrat dari Buangan Padat BuahNanas dengan Fermentasi Fase Cair dalam BioreaktorBergelembung

Oleh =1. Widayat, ST., MT.2. Ir. Abdullah, MS. PhD3. Ir. Danny Soetrisnanto, Meng4. Drs. Mohammad Hadi, MSi

Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departeman PendidikanNasional sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Pekerjaan Penelitian Nomor031/SPPP/PP/DP3M/IV/2005 tanggal11 April 2005

FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS DIPONEGORONOVEMBER,2005 ,UPT -'USTAK -UNDI'

Ntl, D.ft:, v.d~ .~f..

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

2/12

LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHANLAPORAN AKHIR BASIL PENELITIAN HIBAH BERSAING

A. Judul Pembuatan Asam Sitrat dari Buangan PadatBuah Nanas dengan Fermentasi Fase Cairdalam Bioreaktor Bergelembung

B. Ketua Penelitia. Namab. Jenis Kelaminc. Pangkat/Golongan/NIP.d. Bidang Keahliane. Fakultas/Jurusanf. Perguruan Tinggi

: Widayat, ST., MT: Laki-Iaki: Penata 1111B/132 207 766: Sioproses dan Hidrodinamika Reaktor: TeknikfTeknik Kimia: Universitas Diponegoro

C. Tim PenelitiNAMA BIDANG FAKULTASI PERGURUAN

KEAHLIAN JURUSAN TINGGIDr. Ir. Abdullah, MS Kinetika reaksi TEKNIKITeknik Kimia UNDIPDrs. Mohammad Hadi, MSi Mikrobiologi MIPA ISiologi UNDIPIr. Danny Soetrisnanto, MEng Bioteknologi TEKNIKITeknik Kimia UNDIP

d. Pendanaan dan jangka waktu penelitianJangka waktu penelitian yang diusulkanBiaya total yang diusulkan\Siaya yang disetuji Tahun. 2005

:3 tahun: Rp 115.000.000,00: Rp 35.000.000,00

Semarang, 10 Nopember 2005Ketua Peneliti

Widayat, ST., MTNIP. 132207766

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

3/12

RINGKASAN DAN SUMMARY

Asam sitrat merupakan asam organik yang mempunyai fungsi sangat penting dalam industriminuman dan makanan, industri farmasi, industri kosmetik, industri logam dan berbagaiindustri kimia. Dewasa ini, asam sltrat diproduksi melalui proses fermentasi dengan bahanbaku onggok,gaplek, bekatul dan tepung aren dan bioreaktor yang berbentuk langkiberpengaduk. Dalam peneutlan ini asam sitrat akan diproduksi dari buangan padat buahnanas dalam bioreaktor bergelembung dengan proses fermentasi fase cair (submergedculture) dan mikroba Aspergilus niger. Buangan padat buah nanas selama ini belum banyakdimanfaatkan.Penelitian ini bertujuan untuk memanfaatkan buangan padat buah nanas (bonggol dan kulitnanas) sebagai bahan baku dalam pembuatan asam sltrat dengan proses fermentasi fasecair dalam bioreaktor bergelembung dan kapang Aspergillus niger. Secara khusus penelitianini bertujuan untuk merancang bioreaktor bergelembung untuk proses fermentasi asam sitra,memanfaatkan buangan padat buah nanas untuk memproduksi asam sitrat dengan prosesfermentasi fase cair dan mikroba Aspergi/us niger, mengembangkan penggunaan bioreaktorbergelembung untuk proses produksi asam sitrat, studi eksperimetal pengaruh laju alirvolumetrik udara, viskositas, densitas dan konsentrasi gula total terhadap hidrodinamikareaktor bergelembung dan perpindahan massaUntuk memperoleh hasil yang komprehensif pada tahun I dilakukan perancangan bioreaktorbergelembung dan dilanjutkan studi hidrodinamika reaktor dan perpindahan massa tanpaadanya kapang Aspergillus niger. Perancangan bioreaktor dhasilkan dua bua,dimanadibedakan alat untuk studi hidrodinamika dan perpindahan massa serta untuk studiproduktifitas asam sitrat. Dimensi peralatan bioreaktor bergelembung adalah sebagai berikut;tinggi reaktor 84 em, diameter dalam 6.9 em, diameter luar 7 emHasil penelitian menunjukkan bahwa medium fermentasi buangan buah nanas mempunyaikelakukan yang sama dengan fluida sukrosa, jarak cairan dari dasar reaktor semakin jauh,maka semakin besar holdup gas, kenaikan konsentrasi tarutan akan mengakibatkanpenurunan holdup gas dan koefisien transfer massa, kenaikan taju atir udara akanmengakibatkan kenaikan holdup gas dankoefisien transfer massa, pada konsentrasi 10%merupakan batas transisi [enis fluida dari newtonianmenjadi non newtonian untuk jenismedia guta. Persamaan matematika hubungan konstanta perpindahan massa adalahkLa = O,00646yO,189 untuk tarutan nanas dan larutan sukrosakLa = O,00816yO,134

III

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

4/12

PRAKATA

Peneliti mengucapkan puji syukur kepada Allah SWT yang telah memberikan rahmat-Nya, sehingga peneliti dapat menyelesaikan penelitian dan laporan ini. Laporan. AkhirPenelitian program Hibah Bersaing dengan judul "Pembuatan Asam Sitrat dari BuanganPadat Buah Nanas dengan Fermentasi Fase Cair dalam Bioreaktor Bergelembung"berisi tentang pendahuluan, tinjauan pustaka, tujuan dan mantaat penelitian, hasil penelitiandan pembahasan serta kesimpulan dan saran. Pendahuluan berisi tentang hal yang melatarbelakangi penelitian ini dan perumusan masalah. Tinjauan Pustaka berisi tentang kajianpustaka yang berhubungan dengan penelitian inl,

Pada kesempatan ini peneliti mengucapkan terima kasih kepada Direktorat JenderalPendidikan Tinggi Departeman Pendidikan Nasional sesuai dengan Surat PerjanjianPelaksanaan Pekerjaan Penelitian Nomor 031/SPPP/PP/DP3M/IVl2005 tanggal 11 April2005 yang telah membiayai penelitian dalam program Hibah Bersaing. Peneliti jugamengucapkan terima kasih kepada Ketua Lembaga Penelitian UNDIP yang telahmengkoordinasi program penelitian, Ketua Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIPyang telah memberikan ijin untuk mengadakan penelitian di Laboratorium BioteknologiProses dan kepada semua pihak yang telah membantu terlaksananya penelitian ini

Akhirnya peneliti berharap hasil penelitian dapat memberikan sumbangan bagiperkembangan ilmu pengetahuan. Saran dan kritik yang bersifat membangun selalupenyusun harapkan, demi kesempurnaan penelitian ini.

Semarang, Nopember 2005

Peneliti

IV

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

5/12

DAFTAR lSI

LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHANRINGKASAN DAN SUMMARYPRAKATADAFTAR lSIDAFTAR TABELDAFTAR GAMBARlILUSTRASIDAFTAR LAMPIRANBAS I Pendahuluan

1.1. Subyek Penelitian1.2. Lokasi Penelitian1.3. Hasll yang ditargetkanTujuan Dan Manfaat Penelitian Tahun Ke I

Halaman1 iiiiivvviiviiiix

BAB III

2.1. Tujuan Penelitian2.2. Manfaat PenelitianTinjauan Pustaka

11123334

BABII

3.1. Tanaman nanas 43.2. Proses Produksi Asam Sitrat dengan Proses Fermentasi 63.3. Bioreaktor Bergelembung 83.4. Hidrodinamika dan Perpindahan Massa gas-Cair 103.5. Kinetika Reaksi Proses Fermentasi 15

BABIV Metode Penelitian4.1. Bahan dan Alat Penelitian

1818

4.2. Variabel operasi untuk Studi Hidrodinamika dan 19Perpindahan Massa

BABV

4.3. Respon Pengamatan4.4. Prosedur Percobaan4.5. Analisis DataHasil dan Pembahasan5.1. Perancangan bioreaktor bergelembung5.2. Studi Pengaruh Jarak Inverted Manometer5.3 Pengaruh Konsentrasi Larutan Terhadap Hold Up

19192021212326

v

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

6/12

5.4. Pengaruh Laju Alir Udara Terhadap Kia 285.5. Pengaruh Konsentrasi Larutan Terhadap Kia 315.6. Korelasi Antara Koefisien Transfer Massa Dengan Laju Alir 32

Volumetrik UdaraBAB VI Kesimpulan dan Saran

6.1. Kesimpulan6.2. Saran

BAB VII Rencana IPenelitian Tahap SelanjutnyaA. Tujuan KhususB . MetodeC. Jadwal Kerja

DAFTAR PUSTAKALAMPI RAN

343434353535404144

v i

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

7/12

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Komposlsi buah nanas 4TabeI3.2. Karakteristik Filtrat Limbah Kulit dan Bonggol Nanas 5TabeI3.3. Aplikasi biokimia pada reaktor bergelembung 10Tabel 3.4 korelasi hold up gas untuk kolom bergelembung 11Tabel 3.5 : Perbandingan beberapa metode pengukuran koefisien 14

perpindahan massa (Riet dan tramper, 1991)Tabel 5.1. : Hasil-hasil penelitian tentang perpindahan massa gas-cair pada 31

bioreaktor bergelembung jenis airlift eksternalloop (Stang, et.al,2001).Tabel 7.1. Faktorial design 25 untuk optimisasi proses fermentasi asam sitrat 39Tabel 7.2.Jadwal Kerja penelitian tahun II dan III 40

v ii

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

8/12

DAFTAR GAMBARlILUSTRASI

Gambar 3.1. Proses metobollsme sederhana pembuatan asam sitrat dari 6karbohidrat

Gambar 3.2. Kolom penggelembung ditinjau dari aliran gas 9Gambar 3.3 Pengaruh sirkulasi cairan pada bioreaktor air lift terhadap 15

kelakuan lainnGambar 4.1. Rangkaian alat bioreaktor bergelembung untuk studi 18

hidrodinamika dan perpindahan massaGambar 5.1Hasil Perancangan Bioreaktor bergelembung 21Gambar 5.2. Bioreaktor bergelembung untuk proses produksi asam sitrat 22Gambar 5.3. Bioreaktor bergelembung untuk studi hidrodinamika dan 23

perpindahanmassaGambar 5.4. Hubungan ketinggian inverted manometer terhadap hold up pada 24

berbagai laju allr dalam larutan nanasGambar 5.5. Hubungan ketinggian inverted manometer terhadap hold up pada 25

berbagai laju alir dalam larutan sukrosaGambar 5.6. Hubungan konsentrasi larutan erhadap hold up pada berbagai 27

laju alir udaraGambar 5.7. Hubungan laju alir udara terhadap hold up gas pada air (Feijen, 28

1987)Gambar 5.8. Hubungan antara laju atir dengan kLa pada berbagai konsentrasi 29Gambar 5.9. Hubungan koefisien perpindahan massa dengan laju alir udara 30

dengan dan tanpa ragi (Stang, et.al, 2001).Gambar 5.10. Hubungan antara konsentrasi larutan dengan kLa pada berbagai 32

laju alir udaraGambar 7.1. Skematik tahapan-tahapan penelitian 35

I

viii

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

9/12

DAFTAR LAMP I RAN

Lampiran A. Rencana Anggaran Penelitian 44Lampiran B Hasil Analisa Pendahuluan dan Kalibrasi 49Lampiran C Data Percobaan Hidrodinamika Dan Perpindahan Massa Gas-Cair 54Lampiran D. Makalah puhlikasi dalam SeminarNasional 64

lX

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

10/12

BABIPENDAHULUAN

1. SUBYEK PENELITIANSubyek penelitian ini adalah buangan padat buah nanas seperti bonggol dan kulitbuah nanas, sebagai bahan baku pembuatan asam sitrat dengan proses fermentasifase cair dan mikroba Aspergi/us niger dalam bioreaktor bergelembung. Aspekpenelitian adalah penelitian rekayasa dan pengembagan reaktor bergelembungsebagai bioreaktor dalam proses fermentasi berbahan baku buangan padat buahnanas.

Periode Penelitian Aspek PenelitianTahun I Rancang bangun bioreaktor bergelembung, dilanjutkan dengan

studi hidrodinamika reaktor dengan fluida cairan dari buanganpadat buah nanas (gas holdup, laju aUr dan pola aliran) danpertumbuhan mikroba

Tahun II Studi Perpindahan massa dan kinetika reaksi yang meliputikinetika pertumbuhan mikroba, pemanfaatan substrat danpembentukan produk. Formulasi matematik dikembangkanuntuk hubungan koefisien perpindahan massa dengan laju alirfluida dan viskositas, balk ada dan tidak mikroba

Tahun III Studi produktifitas asam sltrat dan optimisasi kondisi prosesyang meliputi konsentrasi gula, konsentrasi nutrien (N,P),konsentrasi jumlah mikroba, laju alir volumetrik udara dan pHawal, serta penyusunan draf paten

1.2. LOKASI PENELITIAN :Laboratorium Bioteknologi, Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIPLaboratorium Mikrobiologi dan Blologi Jurusan Biologl Fakultas MIPA UNDIP

1

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

11/12

1.3. HASIL YANG DITARGETKAN:Hasil yang ditargetkan dalam penelitian ini, pada tahun pertama adalah sebagaiberikut:(i) sebuah prototipe bioreaktor bergelembung yang dapat digunakan untuk proses

fermentasi asamsltrat fase .cair yang dilengkapi dengan tangki umpan danproses sterilisasi dan pendinginan

(ii) korelasi empirik antara hidrodinamika dan koefisien perpindahan massa dalamreaktor bergelembung

Untuk tahun ke-2 dan ke-3 hasil yang ditarqetkan adalah(iii) Asam sitrat yang dihasilkan dari buangan padat buah nanas dengan proses

fermentasi fase cair dan mikroba Aspergi/us niger korelasi empirik kinetikareaksi proses produksi asam sitrat yang meliputi kinetika pertumbuhanmikroba, kinetika penggunaan substrat dan kinetika pembentukan produk

(IV) data-data teknis laboratorium untuk perancangan dan pengoperasian prosesyang meliputi kinetika reaksi, kondisi operasi yang optimum yang meliputikonsentrasi gula, konsentrasi nutrien, pH awal dan laju volumetrik udara; jugakoefisien perpindahan massa

(v) tingkat produktifitas asam sitrat yang lebih baik dengan adanya penambahanaditif metanol dan atau etanol

(vi) satu draf usulan paten biasa dan 4 buah publikasi ilmiah

2

5/17/2018 646-ki-ft-06-a

12/12

BAB IITUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN TAHUN KE I

2.1. TUJUAN PENELITIANSecara umum penelitian ini bertujuan untuk memanfaatkan buangan padat buah

nanas (bonggol dan kulit nanas) sebagai bahan baku dalam pembuatan asam sitratdengan proses fermentasi fase cair dalam bioreaktor bergelembung dan kapangAspergillus niger. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk:1. Merancang bioreaktor bergelembung untuk proses fermentasi asam sitrat2. Memanfaatkan buangan padat buah nanas untuk memproduksi asam sitrat dengan

proses fermentasi fase cair dan mikroba Aspergilus niger.3. Mengembangkan penggunaan bioreaktor bergelembung untuk proses produksi asam

sitrat4. Studi eksperimetal pengaruh laju alir volumetrik udara, viskositas, densitas dan

konsentrasi gula total terhadap hidrodinamika reaktor bergelembung dan perpindahanmassa

5. Penyusunan model empirik tentang perpindahan massa gas~cair

2.2. MANFAA T PENEL IT IANManfaat yang dapat diperoleh dengan adanya penelitian ini adalah:

1. Peningkatan nllal guna buangan padat buah nanas menjadi produk yang bermanfaatyaitu asam sitrat

2. Pengembangan bioreaktor bergelembung untuk proses fermentasi fase cairkhususnya pembuatan asam sitrat

3. Penggunaan data-data empiris dalam perancangan boreaktor bergelembung,khususnya data-data hidrodinamika dan perpindahan massa.

3