Fermentasi Berbantuan Ultrasonik untuk Produksi Bioetanol

Fermentasi berbantuan ultrasonik dapat meningkatkan produksi bioetanol dengan mendorong penguraian karbohidrat kompleks menjadi gula yang lebih sederhana, sehingga lebih mudah tersedia bagi ragi untuk diubah menjadi etanol. Pada saat yang sama, sonikasi juga meningkatkan efisiensi permeabilitas dinding sel ragi, sehingga memungkinkan pelepasan etanol yang lebih cepat dan peningkatan produksi secara keseluruhan. Dengan demikian, fermentasi bioetanol berbantuan ultrasonik menghasilkan tingkat konversi dan rendemen yang lebih tinggi.

Fermentasi

Fermentasi dapat berupa proses aerob (= fermentasi oksidatif) atau anaerob, yang digunakan dalam aplikasi bioteknologi untuk mengubah bahan organik melalui kultur sel bakteri, jamur, atau sel biologis lainnya, atau melalui enzim. Melalui fermentasi, energi diperoleh dari oksidasi senyawa organik, misalnya karbohidrat.
Gula merupakan substrat fermentasi yang paling umum, yang setelah fermentasi menghasilkan produk seperti asam laktat, laktosa, etanol, dan hidrogen. Dalam fermentasi alkohol, etanol – terutama untuk digunakan sebagai bahan bakar, tetapi juga untuk minuman beralkohol – diproduksi melalui fermentasi. Ketika strain ragi tertentu, seperti Saccharomyces cerevisiae memetabolisme gula, sel ragi mengubah bahan awal menjadi etanol dan karbon dioksida.

Persamaan kimia di bawah ini merangkum konversi tersebut:

Jika bahan awalnya adalah pati, misalnya dari jagung, pati harus terlebih dahulu diubah menjadi gula. Untuk bioetanol yang digunakan sebagai bahan bakar, diperlukan hidrolisis untuk konversi pati. Biasanya, hidrolisis dipercepat melalui perlakuan asam atau enzimatik, atau kombinasi keduanya. Fermentasi biasanya dilakukan pada suhu sekitar 35–40 °C.
Gambaran umum berbagai proses fermentasi:

Pangan :

• produksi & pengawetan
• produk susu (fermentasi asam laktat), misalnya yoghurt, buttermilk, kefir
• sayuran hasil fermentasi asam laktat, misalnya kimchi, miso, natto, tsukemono, sauerkraut
• pembentukan senyawa aroma, misalnya kecap
• penguraian zat penyamak, misalnya teh, kakao, kopi, tembakau
• minuman beralkohol, misalnya bir, anggur, wiski

Obat-obatan :

• produksi senyawa untuk keperluan medis, misalnya insulin, asam hialuronat

Biogas/ Etanol :

• peningkatan produksi biogas/ bioetanol

Berbagai makalah penelitian dan pengujian pada skala laboratorium meja dan skala percontohan telah menunjukkan bahwa ultrasonik meningkatkan proses fermentasi dengan menyediakan lebih banyak biomassa untuk fermentasi enzimatik. Pada bagian berikut, efek ultrasonik dalam cairan akan dijelaskan secara terperinci.

Efek Pemrosesan Cairan dengan Ultrasonik

Ultrasonik berdaya tinggi/berfrekuensi rendah dapat menghasilkan amplitudo tinggi. Oleh karena itu, ultrasonik berdaya tinggi/berfrekuensi rendah dapat digunakan untuk pemrosesan cairan seperti pencampuran, emulsifikasi, dispersi dan deaglomerasi, atau penggilingan.
Ketika cairan disonikasi pada intensitas tinggi, gelombang suara yang merambat ke dalam media cair menghasilkan siklus tekanan tinggi (kompresi) dan tekanan rendah (rarefaksi) secara bergantian, dengan laju yang bergantung pada frekuensi. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik berintensitas tinggi menciptakan gelembung vakum kecil atau rongga dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume yang membuatnya tidak dapat lagi menyerap energi, gelembung tersebut runtuh secara dahsyat selama siklus tekanan tinggi. Fenomena ini disebut kavitasi. Kavitasi, yaitu “pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan implosif gelembung dalam cairan. Keruntuhan kavitasi menghasilkan pemanasan lokal yang intens (~5000 K), tekanan tinggi (~1000 atm), serta laju pemanasan dan pendinginan yang sangat tinggi (>109 K/sec)” dan aliran jet cairan (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Ada berbagai cara untuk menciptakan kavitasi, seperti menggunakan nosel bertekanan tinggi, pencampur rotor-stator, atau prosesor ultrasonik. Dalam semua sistem tersebut, energi masukan diubah menjadi gesekan, turbulensi, gelombang, dan kavitasi. Fraksi energi masukan yang diubah menjadi kavitasi bergantung pada beberapa faktor yang menggambarkan pergerakan peralatan pembangkit kavitasi dalam cairan. Intensitas percepatan merupakan salah satu faktor terpenting yang memengaruhi efisiensi transformasi energi menjadi kavitasi. Percepatan yang lebih tinggi menciptakan perbedaan tekanan yang lebih besar. Hal ini kemudian meningkatkan kemungkinan terbentuknya gelembung vakum alih-alih gelombang yang merambat melalui cairan. Dengan demikian, semakin tinggi percepatan, semakin besar fraksi energi yang diubah menjadi kavitasi.
Pada transduser ultrasonik, amplitudo osilasi menggambarkan intensitas percepatan. Amplitudo yang lebih tinggi menghasilkan pembentukan kavitasi yang lebih efektif. Selain intensitas, cairan harus dipercepat dengan cara yang meminimalkan kehilangan energi akibat turbulensi, gesekan, dan pembentukan gelombang. Untuk tujuan ini, cara yang optimal adalah gerakan dalam satu arah. Dengan mengubah intensitas dan parameter proses sonikasi, ultrasonik dapat memberikan perlakuan yang sangat kuat atau sangat ringan. Hal ini menjadikan ultrasonik alat yang sangat serbaguna untuk berbagai aplikasi.

Aplikasi ringan, yang menerapkan sonikasi ringan dalam kondisi ringan, mencakup penghilangan gas, emulsifikasi, dan aktivasi enzim. Aplikasi berat dengan ultrasonik berintensitas tinggi/berdaya tinggi (sebagian besar pada tekanan yang ditingkatkan) adalah penggilingan basah, deaglomerasi & pengurangan ukuran partikel, serta dispersi. Untuk banyak aplikasi seperti ekstraksi, disintegrasi atau sonokimia, intensitas ultrasonik yang diperlukan bergantung pada bahan spesifik yang akan disonikasi. Melalui beragam parameter yang dapat disesuaikan dengan masing-masing proses, ultrasonik memungkinkan penentuan kondisi optimal untuk setiap proses.
Selain konversi daya yang sangat baik, ultrasonikasi menawarkan keunggulan besar berupa kendali penuh atas parameter terpenting: Amplitudo, Tekanan, Suhu, Viskositas, dan Konsentrasi. Hal ini memungkinkan penyesuaian seluruh parameter tersebut untuk menemukan parameter pemrosesan yang ideal bagi setiap bahan spesifik. Hasilnya adalah efektivitas yang lebih tinggi serta efisiensi yang dioptimalkan.

Ultrasonik untuk Meningkatkan Proses Fermentasi, Dijelaskan dengan Contoh Produksi Bioetanol

Bioetanol merupakan produk penguraian biomassa atau bahan limbah yang dapat terurai secara hayati oleh bakteri anaerob atau aerob. Etanol yang dihasilkan terutama digunakan sebagai bahan bakar hayati. Hal ini menjadikan bioetanol alternatif terbarukan dan ramah lingkungan bagi bahan bakar fosil, seperti gas alam.
Untuk memproduksi etanol dari biomassa, gula, pati, dan bahan lignoselulosa dapat digunakan sebagai bahan baku. Untuk produksi skala industri, gula dan pati saat ini mendominasi karena menguntungkan secara ekonomi.
Bagaimana ultrasonik meningkatkan proses khusus pelanggan dengan bahan baku spesifik dalam kondisi tertentu dapat diuji dengan sangat mudah melalui uji kelayakan. Sebagai langkah pertama, sonikasi sejumlah kecil bubur bahan baku dengan perangkat ultrasonik laboratorium akan menunjukkan apakah ultrasonik memberikan efek pada bahan baku.

Pengujian Kelayakan

Pada tahap pengujian pertama, sebaiknya energi ultrasonik dalam jumlah relatif tinggi dimasukkan ke dalam volume cairan yang kecil, karena hal ini meningkatkan peluang untuk mengetahui apakah hasil dapat diperoleh. Volume sampel yang kecil juga mempersingkat waktu penggunaan perangkat laboratorium dan mengurangi biaya pengujian awal.
Gelombang ultrasonik ditransmisikan oleh permukaan sonotrode ke dalam cairan. Di bawah permukaan sonotrode, intensitas ultrasonik paling tinggi. Oleh karena itu, jarak pendek antara sonotrode dan bahan yang disonikasi lebih disukai. Jika volume cairan yang dipaparkan kecil, jarak dari sonotrode dapat dipertahankan tetap pendek.
Tabel di bawah menunjukkan tingkat energi/volume yang lazim untuk proses sonikasi setelah optimasi. Karena percobaan pertama tidak dilakukan pada konfigurasi optimal, intensitas dan waktu sonikasi sebesar 10 hingga 50 kali nilai lazim akan menunjukkan apakah terdapat efek pada bahan yang disonikasi atau tidak.

Proses	Energi/ Volume	Volume Sampel	Daya	Waktu
Sederhana	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Sedang	100Ws/mL hingga 500Ws/mL	10mL	50W	20 hingga 100 sec
Berat	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Tabel 1 – Nilai sonikasi yang lazim setelah optimasi proses

Daya masukan aktual pada pengujian dapat direkam melalui perekaman data terintegrasi (UP200Ht dan UP200St), antarmuka PC, atau pengukur daya. Dengan menggabungkan data pengaturan amplitudo dan suhu yang direkam, hasil setiap percobaan dapat dievaluasi dan nilai acuan energi/volume dapat ditetapkan.
Jika konfigurasi optimal telah dipilih selama pengujian, kinerja konfigurasi ini dapat diverifikasi pada tahap optimasi dan akhirnya dapat ditingkatkan skalanya ke tingkat komersial. Untuk memudahkan optimasi, sangat disarankan juga untuk memeriksa batas-batas sonikasi, misalnya suhu, amplitudo, atau energi/volume untuk formulasi tertentu. Karena ultrasonik dapat menimbulkan efek negatif pada sel, bahan kimia, atau partikel, tingkat kritis untuk setiap parameter perlu diperiksa agar optimasi selanjutnya dibatasi pada rentang parameter yang tidak menunjukkan efek negatif. Untuk studi kelayakan, unit laboratorium kecil atau unit meja disarankan guna membatasi biaya peralatan dan sampel dalam percobaan tersebut. Secara umum, unit 100 hingga 1.000 watt sangat sesuai untuk tujuan studi kelayakan. (bandingkan Hielscher 2005)

Optimasi

Hasil yang diperoleh selama studi kelayakan mungkin menunjukkan konsumsi energi yang cukup tinggi dibandingkan dengan kecilnya volume yang diolah. Namun, tujuan utama uji kelayakan adalah menunjukkan efek ultrasonik pada bahan. Jika efek positif muncul dalam pengujian kelayakan, upaya lebih lanjut harus dilakukan untuk mengoptimalkan rasio energi/volume. Ini berarti mengeksplorasi konfigurasi parameter ultrasonik yang ideal untuk mencapai rendemen tertinggi dengan energi sesedikit mungkin agar proses paling layak secara ekonomi dan efisien. Untuk menemukan konfigurasi parameter optimal – memperoleh manfaat yang diinginkan dengan masukan energi minimal – korelasi antara parameter terpenting, yaitu amplitudo, tekanan, suhu dan komposisi cairan , harus diteliti. Pada langkah kedua ini, disarankan untuk beralih dari sonikasi batch ke susunan sonikasi kontinu dengan reaktor sel alir karena parameter penting berupa tekanan tidak dapat diatur pada sonikasi batch. Selama sonikasi dalam batch, tekanan terbatas pada tekanan sekitar. Jika proses sonikasi melewati ruang sel alir yang dapat diberi tekanan, tekanan dapat ditingkatkan (atau dikurangi), yang secara umum memengaruhi kavitasi ultrasonik secara drastis. Dengan menggunakan sel alir, korelasi antara tekanan dan efisiensi proses dapat ditentukan. Prosesor ultrasonik dengan daya antara 500 watt dan 2000 watt paling sesuai untuk mengoptimalkan suatu proses.

Peningkatan Skala ke Produksi Komersial

Jika konfigurasi optimal telah ditemukan, peningkatan skala selanjutnya menjadi sederhana karena proses ultrasonik sepenuhnya dapat direproduksi pada skala linear. Ini berarti, ketika ultrasonik diterapkan pada formulasi cairan yang identik dengan konfigurasi parameter pemrosesan yang identik, energi per volume yang sama diperlukan untuk memperoleh hasil yang identik, terlepas dari skala pemrosesannya. (Hielscher 2005). Hal ini memungkinkan penerapan konfigurasi parameter ultrasonik yang optimal pada produksi skala penuh. Secara praktis, volume yang dapat diproses secara ultrasonik tidak terbatas. Sistem ultrasonik komersial dengan daya hingga 16.000 watt per unit tersedia dan dapat dipasang dalam kelompok. Kelompok prosesor ultrasonik tersebut dapat dipasang secara paralel atau seri. Dengan pemasangan prosesor ultrasonik berdaya tinggi secara berkelompok, daya total hampir tidak terbatas sehingga aliran bervolume besar dapat diproses tanpa masalah. Jika penyesuaian sistem ultrasonik diperlukan, misalnya untuk menyesuaikan parameter dengan formulasi cairan yang dimodifikasi, hal ini umumnya dapat dilakukan dengan mengganti sonotrode, booster, atau sel alir. Kemampuan peningkatan skala secara linear, reproduktibilitas, dan kemampuan adaptasi ultrasonik menjadikan teknologi inovatif ini efisien dan hemat biaya.

Parameter Pemrosesan Ultrasonik

Pemrosesan cairan dengan ultrasonik dijelaskan oleh sejumlah parameter. Yang terpenting adalah amplitudo, tekanan, suhu, viskositas, dan konsentrasi. Hasil proses, seperti ukuran partikel, untuk suatu konfigurasi parameter merupakan fungsi energi per volume yang diproses. Fungsi ini berubah seiring perubahan masing-masing parameter. Selain itu, keluaran daya aktual per luas permukaan sonotrode suatu unit ultrasonik bergantung pada parameter tersebut. Keluaran daya per luas permukaan sonotrode adalah intensitas permukaan (I). Intensitas permukaan bergantung pada amplitudo (A), tekanan (p), volume reaktor (VR), suhu (T), viskositas (η), dan lainnya.

Dampak kavitasi yang dihasilkan bergantung pada intensitas permukaan. Hasil proses juga berkorelasi dengan cara yang sama. Keluaran daya total suatu unit ultrasonik merupakan hasil perkalian intensitas permukaan (I) dan luas permukaan (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitudo

Amplitudo osilasi menggambarkan jarak (misalnya 50 µm) yang ditempuh permukaan sonotrode dalam waktu tertentu (misalnya 1/20.000s pada 20kHz). Semakin besar amplitudo, semakin tinggi laju penurunan dan peningkatan tekanan pada setiap gerakan. Selain itu, perpindahan volume pada setiap gerakan meningkat, sehingga menghasilkan volume kavitasi yang lebih besar (ukuran dan/atau jumlah gelembung). Ketika diterapkan pada dispersi, amplitudo yang lebih tinggi menunjukkan daya penghancuran yang lebih besar terhadap partikel padat. Tabel 1 menunjukkan nilai umum untuk beberapa proses ultrasonik.

Tekanan

Titik didih cairan bergantung pada tekanan. Semakin tinggi tekanan, semakin tinggi titik didihnya, dan sebaliknya. Tekanan yang ditingkatkan memungkinkan kavitasi pada suhu mendekati atau di atas titik didih. Tekanan ini juga meningkatkan intensitas implosi, yang berkaitan dengan perbedaan antara tekanan statis dan tekanan uap di dalam gelembung (bandingkan Vercet et al. 1999). Karena daya dan intensitas ultrasonik berubah dengan cepat seiring perubahan tekanan, pompa bertekanan konstan lebih disukai. Ketika memasok cairan ke sel alir, pompa harus mampu menangani aliran cairan tertentu pada tekanan yang sesuai. Pompa diafragma atau membran; pompa tabung fleksibel, selang, atau pemeras; pompa peristaltik; atau pompa piston atau plunger akan menimbulkan fluktuasi tekanan yang bergantian. Pompa sentrifugal, pompa roda gigi, pompa spiral, dan pompa rongga progresif yang memasok cairan untuk disonikasi pada tekanan yang terus stabil lebih disukai. (Hielscher 2005)

Suhu

Dengan melakukan sonikasi pada cairan, daya ditransmisikan ke dalam medium. Karena osilasi yang dihasilkan secara ultrasonik menyebabkan turbulensi dan gesekan, cairan yang disonikasi – sesuai hukum termodinamika – akan memanas. Peningkatan suhu medium yang diproses dapat merusak bahan dan mengurangi efektivitas kavitasi ultrasonik. Sel alir ultrasonik yang inovatif dilengkapi dengan jaket pendingin (lihat gambar). Dengan demikian, suhu bahan dapat dikendalikan secara tepat selama pemrosesan ultrasonik. Untuk sonikasi volume yang lebih kecil dalam gelas beker, disarankan menggunakan penangas es untuk membuang panas.

Viskositas dan Konsentrasi

Proses ultrasonik berupa penggilingan dan dispersi merupakan proses dalam cairan. Partikel harus berada dalam suspensi, misalnya dalam air, minyak, pelarut, atau resin. Dengan menggunakan sistem ultrasonik aliran tembus, bahan yang sangat kental dan berbentuk pasta dapat disonikasi.
Prosesor ultrasonik berdaya tinggi dapat dioperasikan pada konsentrasi padatan yang cukup tinggi. Konsentrasi tinggi mendukung efektivitas pemrosesan ultrasonik, karena efek penggilingan ultrasonik disebabkan oleh tumbukan antarpartikel. Penelitian telah menunjukkan bahwa laju pemecahan silika tidak bergantung pada konsentrasi padatan hingga 50% berdasarkan berat. Pemrosesan masterbatch dengan proporsi bahan yang sangat pekat merupakan prosedur produksi umum yang menggunakan ultrasonikasi.

Daya dan Intensitas vs. Energi

Intensitas permukaan dan daya total hanya menggambarkan intensitas pemrosesan. Volume sampel yang disonikasi dan waktu paparan pada intensitas tertentu harus dipertimbangkan untuk menggambarkan proses sonikasi agar skalanya dapat ditingkatkan dan prosesnya dapat direproduksi. Untuk konfigurasi parameter tertentu, hasil proses, misalnya ukuran partikel atau konversi kimia, akan bergantung pada energi per volume (E/V).

Hasil = f (E /V )

Energi (E) merupakan hasil perkalian keluaran daya (P) dan waktu paparan (t).

E[Ws] = P[W]*t[s]

Perubahan konfigurasi parameter akan mengubah fungsi hasil. Hal ini kemudian mengubah jumlah energi (E) yang diperlukan untuk nilai sampel tertentu (V) guna memperoleh nilai hasil tertentu. Oleh karena itu, menerapkan daya ultrasonik tertentu pada suatu proses saja tidak cukup untuk memperoleh hasil. Diperlukan pendekatan yang lebih canggih untuk mengidentifikasi daya yang dibutuhkan dan konfigurasi parameter saat daya tersebut harus dimasukkan ke dalam bahan proses. (Hielscher 2005)

Produksi Bioetanol Berbantuan Ultrasonik

Telah diketahui bahwa ultrasonik meningkatkan produksi bioetanol. Disarankan untuk mengentalkan cairan dengan biomassa hingga menjadi bubur yang sangat kental tetapi masih dapat dipompa. Reaktor ultrasonik dapat menangani konsentrasi padatan yang cukup tinggi sehingga proses sonikasi dapat dijalankan seefisien mungkin. Semakin banyak bahan yang terkandung dalam bubur, semakin sedikit cairan pembawa yang diolah, padahal cairan pembawa tersebut tidak memperoleh manfaat dari proses sonikasi. Karena masukan energi ke dalam cairan menyebabkan pemanasan cairan menurut hukum termodinamika, hal ini berarti energi ultrasonik diterapkan semaksimal mungkin pada bahan sasaran. Dengan desain proses yang efisien seperti ini, pemborosan akibat pemanasan cairan pembawa yang berlebih dapat dihindari.
Ultrasonik membantu ekstraksi bahan intraseluler sehingga bahan tersebut tersedia untuk fermentasi enzimatik. Perlakuan ultrasonik ringan dapat meningkatkan aktivitas enzimatik, tetapi ekstraksi biomassa memerlukan ultrasonik yang lebih intens. Oleh karena itu, enzim sebaiknya ditambahkan ke dalam bubur biomassa setelah sonikasi, karena ultrasonik yang intens menonaktifkan enzim, yang merupakan efek yang tidak diinginkan.

Hasil terkini yang dicapai melalui penelitian ilmiah:

Studi Yoswathana et al. (2010) mengenai produksi bioetanol dari jerami padi telah menunjukkan bahwa kombinasi praperlakuan asam dan ultrasonik sebelum perlakuan enzimatik menghasilkan peningkatan rendemen gula hingga 44% (berdasarkan jerami padi). Hal ini menunjukkan efektivitas kombinasi praperlakuan fisik dan kimia sebelum hidrolisis enzimatik bahan lignoselulosa menjadi gula. 

Grafik 2 menggambarkan secara grafis efek positif iradiasi ultrasonik selama produksi bioetanol dari jerami padi. (Arang telah digunakan untuk mendetoksifikasi sampel hasil praperlakuan asam/enzim dan praperlakuan ultrasonik.)

Dalam studi terkini lainnya, pengaruh ultrasonikasi terhadap kadar enzim β-galaktosidase ekstraseluler dan intraseluler telah diteliti. Sulaiman et al. (2011) mampu meningkatkan produktivitas produksi bioetanol secara substansial dengan menggunakan ultrasonik pada suhu terkendali yang merangsang pertumbuhan ragi Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Para penulis makalah tersebut menyimpulkan bahwa sonikasi intermiten dengan ultrasonik berdaya tinggi (20 kHz) pada siklus kerja ≤20% merangsang produksi biomassa, metabolisme laktosa, dan produksi etanol pada K. marxianus dengan intensitas sonikasi yang relatif tinggi sebesar 11,8Wcm². Dalam kondisi terbaik, sonikasi meningkatkan konsentrasi etanol akhir hingga hampir 3,5 kali lipat dibandingkan kontrol. Hal ini setara dengan peningkatan produktivitas etanol sebesar 3,5 kali lipat, tetapi memerlukan tambahan daya masukan sebesar 952W per meter kubik kaldu kultur melalui sonikasi. Kebutuhan energi tambahan ini tentu masih berada dalam norma operasional yang dapat diterima untuk bioreaktor dan, untuk produk bernilai tinggi, dapat dengan mudah dikompensasi oleh peningkatan produktivitas.

Kesimpulan: Manfaat Fermentasi Berbantuan Ultrasonik

Perlakuan ultrasonik telah terbukti sebagai teknik yang efisien dan inovatif untuk meningkatkan rendemen bioetanol. Ultrasonik terutama digunakan untuk mengekstraksi bahan intraseluler dari biomassa, seperti jagung, kedelai, jerami, bahan lignoselulosa, atau bahan limbah nabati.

• Peningkatan rendemen bioetanol
• Disintegrasi/ penghancuran sel dan pelepasan bahan intraseluler
• Peningkatan penguraian anaerob
• Aktivasi enzim melalui sonikasi ringan
• Peningkatan efisiensi proses dengan bubur berkonsentrasi tinggi

Pengujian yang sederhana, peningkatan skala yang dapat direproduksi, dan pemasangan yang mudah (juga pada aliran produksi yang sudah ada) menjadikan ultrasonik teknologi yang menguntungkan dan efisien. Prosesor ultrasonik industri yang andal untuk pemrosesan komersial tersedia dan memungkinkan sonikasi volume cairan yang secara praktis tidak terbatas.