INTENSIFIKASI PROSES INOVATIF UNTUK PRODUKSI GULA KRISTAL GLUKOSA DARI TEPUNG UBI KAYU SEBAGAI PEMANIS DAN MINUMAN TRADISIONAL

Abstract

Indonesia is the third biggest country in the world produced cassava with the production over than 17 million ton per year. In addition, Indonesia is also as a producer of sagu, ganyong, ubi jalar dan jagung. Via the dual stage hydrolysis, starch able to be converted to glucose either in the viscous state (in general called glucose syrup) or crystal state (termed as dextrose monohydrat, DMH). These products usual to be used as sweetener in food, drink, and candy industry, as a filler in pharmacy industry, as fermentation media for producing ethanol and citric acid as well as feed for producing fructose and sorbythol. Furthermore, these products also be used as alternative of traditional foods and drink sweetener as sugar beet substitution as well as red sugar. Basically, starch conversion to glucose crystal involve 4 (four) stage processes i.e (i) liquifaction, (ii) sacharification, (iii) purification and evaporation, (iv) crystallization and drying. Although several patent about starch conversion has been patented, i.e. U.S. Paten No. 3,897,305; U.S. Paten No. 4,734,364; U.S. Paten No. 6,287,826; U.S. Paten No. 4,059,460; U.S. Paten No. 4,297,146; U.S Paten No. 4,342,603; U.S. Paten No. 6,527,868, but in industrial case, starch conversion to glucose still done with starch concentration 30-35%. The basic weakness of process schematic before are (i) very high evaporation load because water evaporated until 1,7 ton per ton product, (ii) unrecoverable enzym used, and (iii) low productivity due to residence time as long as 72 hours. About 10-15% of total production cost used as enzyme supply and 25-30% for evaporation energy are needed for processes developed before. The objective of this work is to develop a novel process scheme for glucose production from cassava starch at high dry solid using enzymatic membrane bioreactor (EMBr). Theoretical modeling and simulation were conducted to asses the effect of various operating parameters such as residence time, substrate concentration and enzyme concentration on both glucose production rate and conversion degree. A residence time distribution study confirms that the EMBr can be modeled as a simple continuous stirred tank reactor (CSTR). Using Lineweaver-Burk analysis, the Michaelis-Menten constant (Km) and glucose production rate constant (k2) are 552 (g/l) and 4.04 (min''), respectively. The theoretical model is able to predict the EMBr performance successfully when the condensation reaction rates are much lower than the glucose production rate. Further numerical simulation results confirm that residence time to achieve the glucose content of 97% decreases by the increase of glucoamylase concentration according to this relationship, T = 84.35E'. In addition, productivity of the EMBr is about 3.5 times productivity of the conventional batch reactor when glucoamylase concentration is 2.4 g/I (this is correspond to 17 times that of conventional batch reactor). Indonesia merupakan negara penghasil ubi kayu (singkong) ketiga terbesar di dunia dengan jumlah produksi lebih dari 17 juta ton per tahun. Selain ubi kayu, beberapa sumber pati yang sangat potensial antara lain sagu, ganyong, ubi jalar dan jagung. Melalui proses hidrolisis dua tahap, pati dapat dikonversi menjadi glukosa, baik dalam bentuk larutan kental (dikenal sebagai sirup glukosa) maupun dalam bentuk kristal (disebut sebagai dekstrosa monohidrat (DMH). Produk ini banyak digunakan sebagai pemanis dalam industri makanan, minuman dan penmen, sebagai filler dalam industri farmasi, sebagai media fermentasi untuk produksi etanol atau asam sitrat, dan sebagai bahan baku untuk produksi fruktosa dan sorbitol. Produk ini juga dapat dijadikan alternatif untuk pemanis makanan dan minuman tradisional yang selama ini biasa menggunakan gula tebu (gula pasir) atau gula merah. Konversi pati menjadi gula kristal glukosa melibatkan empat tahap proses, yaitu (i) likuifaksi, (ii) sakarifikasi, (iii) pemurnian dan evaporasi, (iv) kristalisasi dan pengeringan. Meskipun telah banyak skema proses yang dipatenkan, antara lain U.S. Paten No. 3,897,305; U.S. Paten No. 4,734,364; U.S. Paten No. 6,287,826; U.S. Paten No. 4,059,460; U.S. Paten No. 4,297,146; U.S Paten No. 4,342,603; U.S. Paten No. 6,527,868, namun dalam prakteknya di industri, konversi pati menjadi glukosa masih dilakukan dengan konsentrasi pati 30-35%. Kelemahan mendasar dari skema proses produksi seperti ini adalah (i) beban evaporasi sangat tinggi karena jumlah air yang harus divapkan mencapai 1,7 ton per ton produk, (ii) enzim hanya sekali pakai karena tidak ada sistem recovery, dan (iii) produktivitas rendah rendah karena waktu tinggal reaksi selama 72 jam. Dengan skema produksi seperti ini, sekitar 10-15% dari total biaya produksi digunakan untuk penyediaan enzim dan 25-30% untuk biaya energi evaporasi. Riset ini bertujuan untuk mengembangkan intensifikasi proses inovatif dalam produksi gula kristal glukosa dari tepung ubi kayu. Inovasi dan kebaruan utama dari skema proses yang dikembangkan ini adalah bahwa hidrolisis pati dilakukan pada konsentrasi substrat di atas 50% dalam Reaktor Enzimatik Hibrida (REH). Model teoritis dan simulasi dilakukan untuk mengkaji pengaruh berbagai parameter operasi sepetti waktu tinggal, konsentrasi substrat, dan konsentrasi enzim terhadap laju produksi glukosa dan tingkat konversi. Dad kajian distribusi waktu tinggal diperoleh bahwa REH dapat dimodelkan dengan sebuah reaktor kontinyu berpengaduk sederhana. Dengan mengunakan analisis Lineweaver-Burk, diperoleh konstanta Michaelis-Menten (Km) dan kosntanta laju produksi glukosa (k2) masing-masing 552 (WO dan 4.04 (menin. Model teoritis dapat digunakan untuk memperkirakan kinerja REH dengan baik bila laju reaksi kondensasi lebih kecil dari pada laju produksi glukosa. Dad simulasi numerik lebih lanjut menegaskan bahwa waktu tinggal yang dipedukan untuk mencapai kandungan glukosa 97 % dengan menaikkan konsentrasi enzim glukoamilase menurut persamaan t = 84.35E1. Di samping itu, produktifitas REH sekitar 3,5 kali produktifitas REH konvensional bila konsentrasi glukoamylase sebesar 2,4 g/L.