## PENGARUH AERASI PADA FERMENTASI PADAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT OLEH ASPERGILLUS NIGER TERHADAP PRODUKSI GULA SEDERHANA
Himmatun Wisda, Wahyudi Budi Sediawan, Sarto Magister Teknik Pengendalian Pencemaran Lingkungan, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jl. Grafika 2 Yogyakarta, Indonesia
Email: himmatun.wisda@mail.ugm.ac.id

## Abstrak
Telah  dipelajari  pengaruh  aerasi  pada  produksi  gula  sederhana  dari  tandan  kosong  kelapa  sawit  (TKKS) dengan  hidrolisis  secara  fermentasi  padat  menggunakan Aspergillus  niger .  Hasil  gula  sederhana diharapkan  bisa  difermentasi  lanjut  menjadi  bioetanol.  TKKS  adalah  biomasa  lignoselulosa  yang  dapat diperbaharui  dan  sumbernya  melimpah.  Sebelum  difermentasi,  TKKS  perlu  diberi  perlakuan  awal ( pretreatment) dengan  larutan  NaOH 1%  pada suhu  150ºC   selama  2 jam.  Produksi  gula  sederhana telah dianalisis  menggunakan  metode Dinitrosalicylic  acid (DNS acid ) dan  diperoleh kadar tertinggi 9,102  g/L pada  waktu inkubasi  hari ke-3.  Selain diproduksi,  gula  sederhana dikonsumsi  pula  oleh Aspergillus niger untuk  pertumbuhan.  Hal  ini terlihat  dari  produk  samping  asam  organik  yang  dihasilkan.  Hasil  percobaan menunjukan bahwa aerasi meningkatkan kadar gula sederhana. Untuk mempelajari lebih dalam proses ini, pemodelan kinetika reaksi diajukan dengan asumsi reaksi untuk proses  hidrolisis maupun konsumsi gula. Pemodelan  sederhana  tersebut  dapat  mendeskripsikan  secara  kuantitatif  proses  fermentasi  TKKS  dengan cukup baik. Selain itu, diperoleh pula nilai parameter-parameter pada persamaan kinetika reaksinya.
Kata kunci : Aspergillus niger, TKKS, gula sederhana, fermentasi padat

## Abstract
The  effects  of  aeration  on  production  of  simple  sugars  by  Aspergillus  niger  were  investigated  using  oil palm  empty  fruit  bunch  (OPEFB)  by  solid  state  fermentation  using  Aspergillus  niger.  Simple  sugars  can further be  fermented to produce bioethanol. OPEFB is renewable cellulosic biomass and largely available in Indonesia. Before being fermented, OPEFB needs to be pretreated. It was done by NaOH 1% solution at 150  ºC  for  2  hours.  The  concentrations  simple  sugars  produced  by  hydrolysis  were  analyzed  by Dinitrosalicylic acid (DNS). It turned out that the highest concentration of sugars was to be 9,102 g/L, and it  was  obtained  on  the  3 rd day  of  fermentation.  Some  parts  of  the  sugars  produced  were  consumed  by Aspergillus  niger  itself  for  growth  and  maintenance.  The  experiment  showed  that  aeration  increased  the simple sugars concentration. Modelling of reaction kinetic assumed to hydrolisis process and simple sugar consumed.  Simply  modelling  can  describe  in  quantitative  fermentation  of  OPEFB.  Moreover,  get parameters value at equation of reaction kinetic.
Keywords: Aspergillus niger, OPEFB, simple sugar,solid state fermentation

## Pendahuluan
Tandan  kosong  kelapa  sawit  merupakan salah  satu  limbah  terbesar  di  Indonesia. Pertumbuhan  luas  area  kelapa  sawit  selama 2004-2014  sebesar  7,67%,  sedangkan  produksi kelapa  sawit  meningkat  rata-rata  11,09%  per tahun  [3].  Dalam  setiap  pengolahan  1  ton  TBS akan  dihasilkan  tandan  kosong  kelapa  sawit sebanyak  22-23%  atau  sebanyak  220-230  kg tandan kosong kelapa sawit  [1]. Tandan kosong kelapa  sawit  tersebut  hanya  berakhir  pada pengolahan limbah cair yang kemudian digunakan  sebagai  pupuk.  Limbah  tandan kosong kelapa  sawit  yang  tidak tertangani  akan menimbulkan  pencemaran  lingkungan  dan menimbulkan  berbagai  penyakit.  Limbah  ini merupakan salah satu sumber energi yang cukup potensial  dan  pada  umumnya merupakan  bahan berselulosa  yang  dapat  dikonversi  menjadi
bioetanol. Tandan kosong kelapa sawit mengandung 45,95% selulosa, 22,84% hemiselulosa, dan 16,9% lignin [2]. Pemilihan  tandan  kosong  kelapa  sawit sebagai baku didasari oleh beberapa pertimbangan,  antara  lain:  ketersediaan  di Indonesia dan prospek kedepan dalam pengembangan  bahan  baku,  kandungan  dalam biomassa.  Limbah  tandan  kosong  kelapa  sawit digunakan sebagai
substrat dengan menggunakan  mikroorganisme  untuk  penghasil enzim  selulase. Aspergillus  niger telah  dikenal sebagai  salah  satu  jenis  mikroorganisme  yang memiliki  kemampuan  yang  tinggi  untuk menghasilkan  berbagai  enzim  yang  penting penerapannya  dalam  industri. Aspergillus  niger memiliki kelebihan dibandingkan jenis mikroorganisme lainnya yaitu mampu
menghasilkan  enzim  selulase  khususnya  β- glukosidase  dalam  jumlah  tinggi.  Dalam metabolisme Aspergillus niger
dapat
menghasilkan asam  organik lemah seperti asam sitrat,  asam  oksalat,  dan  asam  glukonat  [9]. Beberapa jenis enzim yang penting penerapannya dalam bidang industri yang dapat dihasilkan  oleh Aspergillus  niger adalah amilase, selulase dan amiloglukosidase [5].
Pretreatment merupakan  suatu  elemen penting
dalam biokonversi substrat lignoselulosa.  Adanya  lignin  dan  hemiselulosa menyebabkan  selulosa  sulit  untuk  dihidrolisa.
Pretreatment
ini dilakukan dengan menggunakan  NaOH  1%  pada  suhu  150  ºC yang  diautoklaf  selama  2  jam.  Adanya  NaOH bertujuan untuk merusak struktur  lignin
sehingga memisahkan lignin
dengan hemiselulosa [4].
Aspergillus niger bersifat aerobik. Oksigen  merupakan  salah  satu  faktor  yang berpengaruh terhadap pertumbuhan mikroorganisme.  Faktor  yang  mempengaruhi proses pertumbuhan jamur antara lain; konsentrasi  substrat,  sumber  nitrogen,  phospat, magnesium,  aerasi,  pH,  temperatur  inkubasi, waktu  fermentasi,  dan moisture  content [6]. Kecepatan  aerasi  merupakan  faktor  yang berperan dalam pemenuhan kebutuhan oksigen.
Tandan  kelapa  sawit  mempunyai  potensi besar  sebagai  substrat  dalam  produksi  enzim selulase  yang  digunakan  secara  luas  dalam industri  sehingga  penting  untuk  dilakukan. Penelitian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan metode  sistem  fermentasi  padat  atau  s olid-state fermentation  (SSF) .  Sistem  fermentasi  padat umumnya  diidentikkan  dengan  pertumbuhan mikroorganisme  dalam  partikel  pada  substrat. Beberapa  keuntungan  dari  sistem  fermentasi padat  antara  lain  volume  reaktor  yang  lebih kecil, kontaminasi bakteri lebih  rendah, pemisahan  produk  lebih  mudah,  dan  efisiensi energi. Proses fermentasi substrat padat menggunakan  kadar  kelembaban  yang  rendah. Kadar  air  pada  SSF  berkisar  antara  40%  -80%. [12].  Dalam  penelitian  ini,  berfokus  pada pengaruh  aerasi  terhadap  biokonversi  limbah TKKS  menjadi  gula  sederhana.  Selain  itu, adanya usaha mendeskripsikan secara kuantitatif  proses  tersebut  menjadi  alasan keaslian penelitian.

## Teori

## Kinetika reaksi
Secara umum reaksi biokimia yang terjadi pada proses  fermentasi  pada  substrat  tandan  kosong kelapa  sawit  dapat  dituliskan  sebagai  berikut, [12]:
substrat + sel  produk + sel baru Secara khusus dapat dituliskan,
S + X  P + X baru P  + X  M + X baru dengan S = selulosa, X = Aspergillus niger , P = gula sederhana, M  =  senyawa  hasil  metabolisme Aspergillus niger setelah mengkonsumsi gula sederhana.
Mekanisme Aspergillus niger menghasilkan mengeluarkan enzim selulase untuk menghidrolisis  selulosa  pada  TKKS.  Selulosa selnjutnya  terhidrolisis menjadi gula  sederhana. Gula yang dihasilkan, dikonsumsi oleh
Aspergillus  niger untuk  pertumbuhan  dan maintenance . Sementara itu, laju konsumsi gula untuk maintenance setara  dengan  jumlah Aspergillus niger :
..........(1)
Neraca  massa  selulosa  dapat  disusun  sebagai berikut :
[ ]
..........(2)
Pada  kondisi  ini  μ h adalah  jumlah  enzim  yang terdapat  dalam  sistem,  dan  diasumsikan berbanding  lurus    dengan  jumlah  jamur Aspergillus niger pada sistem.
Neraca massa gula mengikuti persamaan berikut ini :
( )   ( )   ( )   ( ) [ ] ⁄ [ ]
….......(3)
Neraca  massa  jamur Aspergillus  niger secara sederhana mengikuti model berikut ini :
[ ] ⁄ ...........(4)
Pembentukan asam organik oleh jamur Aspergillus niger dari mengkonsumsi gula
[ ] ⁄ .......…(5) Persamaan –  persamaan  tersebut  dapat diselesaikan  secara  simultan  dengan  kondisi batas: t = 0, C S = C S0 , C P = 0, dan C x = C x0 .

## Metodologi Penelitian

## Bahan:
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini antara    lain;  tandan  kosong  kelapa  sawit (TKKS), Aspergillus  niger,  Potato  dextrose agar (PDA), Aquadest, NaOH anhydrous, Tween  80, Garam  Fisiologis  (NaCl),  KH 2 PO 4 ,
yeast extract ; CaCl 2 , MgSO 4. 7H 2 O, Dinitrosalycilid  acid (DNS  acid),  Phenol , Natrium  metabisulfit,  Na-K-tartrat,  Na 2 CO 3, CuSO 4 .5H 2 O, Folin, dan Kertas saring.

## Alat:
Alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain; Autoclave, gelas beaker ,  erlenmeyer, tabung  reaksi,  inkubator,  pengaduk,  pipet  ukur, pipet  tetes,  labu  takar,  cawan  petri,  kawat  ose, timbangan,  api  bunsen,  screen/ayakan,  kuvet, centrifuge, tabung centrifuge ,  kertas  ph, Laminar  Air  Flow (LAF),  kertas  saring,  oven, waterbath, vortex, kapas, aluminium foil, selang plastik, pompa akuarium mini, spektrofotometer, dan cuvet.
Prosedur Penelitian : Pretreatment Substrat
TKKS  dipotong  dan  dicacah  hingga  ukuran yang  homogen.  Ditimbang  TKKS  sebanyak  80 gram  dan  dimasukkan  ke  gelas  beaker. Ditambahkan NaOH 1% ke dalam aquades 1200 ml.  Sampel  TKKS  di autoclave pada  suhu  150 o C  selama  2  jam.    Air  campuran  dibuang  dan TKKS  dicuci  berulang  kali  sampai  pH  netral. TKKS  dipindahkan  ke  wadah  dan  dikeringkan dengan oven 60 o C sampai berat stabil.

## Pembuatan Inokulum  Aspergillus niger
Sebanyak  39  gram potato dextrose  agar  ( PDA) dilarutkan  dalam  1000  ml  aquades.  Larutan PDA  disterilisasi  dengan  cara  di autoclave pada suhu    121  ºC  selama  20  menit.  Didiamkan dalam inkubator selama semalam dengan posisi miring agar didapatkan media agar miring ( agar slane ).  Setelah  PDA  mengeras,  digoreskan Aspergillus niger
pada PDA untuk dikembangbiakkan.

## Kultur Aspergillus niger
Jamur Aspergillus  niger ditumbuhkan  pada medium  agar  miring  di  dalam  ruangan  steril
atau Laminar Air Flow (LAF). Kultur dilakukan dengan  menggoreskan Aspergillus  niger pada medium  agar  PDA. Aspergillus  niger dapat digunakan setelah usia 7 hari.

## Fermentasi Substrat oleh Aspergillus niger
Jamur Aspergillus  niger dipanen  menggunakan vortex  selama  10  menit  dengan  penambahan medium garam fisiologis 0,85%. Sebanyak 4 ml jamur Aspergillus  niger dalam  garam  fisiologis ditambahkan  ke  5  gram  tandan  kelapa  sawit yang  telah  di- pretreatment, dan  ditambahkan nutrien  sebanyak  16  ml  ke  dalam  erlenmeyer. Fermentasi dimulai saat larutan nutrisi ditambahkan  dengan  kelembaban  diatur  pada 80%. Untuk setiap 1 L medium basal (nutrien) , terkandung  KH 2 PO 4 ;  20  g, Yeast  extract ;  8  g, MgSO 4. 7H 2 O; 5 g, dan CaCl 2 ; 5 g  [10]. Sampel diambil pada hari ke-1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, dan 10.
E-2 V-1 E-3 E-4 E-7 E-8 P-1 P-2 P-3 V-3 Aquades Sampel Pompa Selang Gambar 1. Rangkaian Alat Proses Aerasi

## Pemurnian dan Pengambilan Sampel
Sampel  dipanen  dengan  sistem  sentrifugasi menggunakan sentrifuge. Sampel  di  dalam erlenmeyer terlebih dahulu dicampur dengan 25 mL  larutan  0,1% tween  80. Sentrifugasi dilakukan  selama  10  menit  dengan  kecepatan 6000 rpm.  Cairan (supernatan) yang  dihasilkan kemudian  disaring  dengan  kertas  saring  agar terpisah dengan residu padatan.

## Analisis:
Analisa  gula  pereduksi  dengan  menggunakan metode DNS. Analisa protein dengan menggunakan metode Lowry.

## Hasil
Proses pretreatment menggunakan  NaOH
1%  pada  suhu 150  ºC    selama  2  jam dilakukan dengan  tujuan  untuk  mengurangi  kadar  lignin. Adanya lignin menyebabkan selulosa sulit untuk dihidrolis is. Hal  ini  dilakukan  supaya  lebih mudah  untuk  mengkonversi  selulosa  menjadi glukosa. Gula yang diperoleh tanpa pretreatment kurang  dari  20%,  sedangkan dengan  pretreatment  dapat  meningkat  menjadi 90%  dari hasil  teoritis  [8]. Lignin  yang terlarut
dapat  dilihat  melalui  filtrat  hasil pretreatment
yang berwarna hitam pekat. Komposisi lignoselulosa sebelum dan sesudah pretreatment
dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi Lignoselulosa Hasil Pretreatment Komponen Komposisi % Sebelum Sesudah Selulosa 41,06 50,8 Hemiselulosa 9,39 3,3 Lignin 24,7 19,9 Terjadi penurunan konsentrasi hemiselulosa  dari  9,39%  menjadi  3,3%  dan penurunan  lignin  dari  24,7%  menjadi  19,9%. Hilangnya hemiselulosa dan lignin mengakibatkan  persentase  selulosa  TKKS meningkat dari 41,06% menjadi 50,8%. Larutan NaOH  menyerang  dan  merusak  struktur  lignin pada bagian kristalin dan amorf serta memisahkan sebagian hemiselulosa [7]. Aspergillus  niger merupakan  jamur  yang bersifat aerobik sehingga dalam pertumbuhannya  membutuhkan  oksigen.  Aerasi ini  berfungsi  untuk  mempertahankan  kondisi aerobik untuk desorbsi CO 2 , mengatur temperatur  substrat,  dan  mengatur  kadar  air [11].  Adanya  sistem  aerasi  pada  fermentasi
TKKS oleh
Aspergillus niger
dapat meningkatkan produksi gula sederhana. Pengaruh  adanya  aerasi  pada  produksi  gula sederhana dapat dilihat pada Gambar 1.

## Gambar  2.  Pengaruh  Aerasi  terhadap  Produksi Gula Sederhana
Berdasarkan  gambar  tersebut,  terlihat bahwa  konsentrasi  gula  yang  dihasilkan  pada proses  aerasi  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan tanpa aerasi.  Dengan adanya aerasi, konsentrasi tertinggi  diperoleh  sebesar  9,102  g/L  pada waktu  inkubasi  hari  ke-3.  Hal  ini  menunjukan bahwa  adanya aerasi dapat meningkatkan kadar gula  sederhana .  Aspergillus  niger mengalami pertumbuhan  hingga mencapai puncaknya pada waktu  tertentu  dan akan  mengalami  penurunan. Selain  diproduksi,  gula  sederhana  dikonsumsi oleh Aspergillus niger untuk pertumbuhan.
Pertumbuhan  jamur Aspergillus  niger dilakukan dengan mengukur kadar protein yang dihasilkan.  Kadar  protein  tersebut  merupakan indikator  jumlah  mikroba  yang  terkandung  di dalam enzim yang dikeluarkan oleh Aspergillus niger .  Pengaruh  oksigen  terhadap  pertumbuhan jamur yang terbentuk ditunjukkan oleh peningkatan  konsentrasi  protein.  Konsentrasi protein sepanjang waktu fermentasi tersaji pada
Gambar 3.
Gambar 3. Pengaruh Aerasi terhadap Pertumbuhan Aspergillus niger
Konsentrasi  protein  yang  dihasilkan dengan adanya aerasi lebih  tinggi dibandingkan dengan  tanpa  aerasi.  Kadar  protein  tertinggi dihasilkan pada hari ke yaitu ke-5 sebesar 7,130 g/L. Hal ini menunjukan bahwa adanya korelasi antara pertumbuhan jamur dengan kadar protein yang dihasilkan.
Aspergillus  niger menghidrolisis  selulosa untuk  mendapatkan  glukosa.  Selama  proses hidrolisis, Aspergillus  niger mengkonsumsi glukosa  untuk  pembentukan  massa  sel  dan produk  metabolit  dan  juga  pemeliharaan  sel [14].  Pada  penelitian  ini  terjadi  penurunan  pH sebagai  indikasi  metabolit  hasil  metabolisme Aspergillus  niger. Besarnya  laju  konsumsi glukosa  dipengaruhi  oleh  laju  pertumbuhan
Aspergillus niger [13]. Pemodelan kinetika yang disusun dilakukan untuk mengetahui konstanta- konstanta  reaksi.  Penyelesaian  untuk  model tersebut juga dibantu dengan Matlab 2013a dan Microsoft  Excel  2010.  Hasil  simulasi  dari perbandingan antara grafik perubahan konsentrasi  gula  sederhana  sepanjang  waktu fermentasi dengan hasil pemodelan dapat dilihat pada Gambar 4.
0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 K o n se n tra si , g /L Hari ke- Aerasi Tanpa Aerasi 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 10 15 K o n se n tra si , g /L Hari ke- Aerasi Tanpa Aerasi
Gambar 4. Perbandingan Produksi Gula Sederhana  Hasil  Penelitian  dan  Gula  Sederhana Hasil Perhitungan Model Kinetika Model  kinetika  yang  diajukan  mendekati hasil pengukuran pada penelitian ini.
Kesesuaian  model  kinetika  dengan  hasil pengujian  produksi  gula  sederhana  ditunjukkan oleh  nilai Sum  Square  Error (SSE)  yang  kecil.
Pemodelan sederhana tersebut dapat mendeskripsikan secara kuantitatif proses fermentasi TKKS dengan cukup baik. Selain itu, diperoleh  pula  nilai  parameter  pada  persamaan kinetika reaksinya.

## Kesimpulan
1. Pretreatment dengan    NaOH  1%  pada  suhu 150ºC  akan  meningkatkan  produksi  gula sederhana  pada  hidrolisa  TKKS  oleh  jamur Aspergillus niger .
2. Adanya sistem aerasi pada fermentasi TKKS oleh Aspergillus  niger dapat  meningkatkan produksi gula sederhana.
3. Pemodelan sederhana yang diajukan mendeskripsikan  secara  kuantitatif  proses fermentasi TKKS dengan cukup baik. Selain itu, diperoleh pula nilai parameter-parameter pada persamaan kinetika reaksinya.

## Daftar Pustaka
[1]  Alhidayatullah, Sudirman LI, Dharmaputra  OS,  Kemampuan  jamur pelapuk kayu isolat  JPA dan Trichoderma
Sp. S2-2  dalam  mendegradasi  tandan kosong  kelapa  sawit  untuk  menghasilkan selulosa, Menara  Perkebunan ,  (2014) 82(2): 51-56.
[2]   Darnoko,  Z.  Poeloengan  dan  I.  Anas, Pembuatan  Pupuk  Organik  Dari  Tandan Kosong  Kelapa  Sawit,  Buletin  Penelitian Kelapa Sawit, 1992, 2: 89-99.
[3]  Direktorat Jenderal Perkebunan, Pertumbuhan Areal Kelapa Sawit Meningkat, http://ditjenbun.pertanian.
go.id/berita-362-pertumbuhan-areal- kelapa-sawit-meningkat. html, 2014, diakses pada 22 Desember 2015.
[4]   Enari, Cellobiohydrolase from Trichoderma  reesei ,  Biochem  J,  (1983) 215(3): 677–683.
[5]   Frazier and Westhoff, Food Microbiology, Tata  Mc  Graw  Hill  Publ.  Co.Ltd,  New
York, 1981, p. 275-282. [6]  Gandjar, Indrawati dan Wellyzar Sjamsuridzal, Mikologi Dasar dan
Terapan, Yayasan Obor Indonesia, Jakarta,
2006, p.126.
[7]   Gunam,  I.B.W.,  &  Antara,  N.S.,  Study  on sodium  hydroxide  treatment  of  corn  stalk to  increase  its  cellulose  saccharification enzymatically  by  using  culture  filtrate  of Trichoderma  reesei ,  Gitayana,  Agric. Technol. J, (1999) 5(1): 34-38.
[8]  Hamelinck,  C.N.,  G.  van  Hooijdonk,  and A.P.C.  Faaij, Ethanol  from lignocellulosic biomass:  Techno-economic  performance in  short-,  midle-  and  long-term,  Biomass and Bioenergy, (2005) 28: 384−410.
[9]  Inggrid,  M.  dan  Suharto,  I..  Fermentasi Glukosa  oleh Aspergillus  niger Menjadi Asam  Glukonat,  Lembaga  Penelitian  dan Pengabdian Masyarakat, Universitas Katolik Parahayangan, Bandung, 2012.
[10]  Kang,  S.W.,  Park,  Y.S.,  Lee  J.S.,  Hong S.I.,  Kim  S.W.,.  Production  of  cellulases and  hemicellulases  by Aspergillus  niger
KK2 from lignocellulosic biomass, Bioresource  Technology,  (2004)  91:  153- 156.
[11]  Prior  B.  A.,  Du  Preez,  J.  C.,  and  Rein,  P. W.  Environmental  Parameters  in  Doelle, H.  W  Mitchell  and  Rolz,  C  (eds)  Solid State Cultivation.  London,  Elsevier,  1992, p.65-85.
[12]  Shuler,  M.  L.  and  Kargi,  F.,  Bioprocess Engineering:  Basic  Concepts,  ed  2nd,  , Prentice  Hall  P  T  R,  Englewood  Cliffs, New Jersey, 2002, p. 61-63.
[13]  Widiyanti, S. E., Tesis, Kinetika Konsumsi  Glukosa  oleh Aspergillus  niger dalam Produksi Bioethanol dari
Lignoselulosa,  Departemen  Teknik  Kimia
Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada
Yogyakarta, 2014.
[14]  Znad,  A.,  Blazej,  M.,  Bales,  V.,  and Markos,  J.,    A  kinetic  model  for  gluconic acid  production  by Aspergillus  niger, Chem. Pap., 2003,58(1): 23-28.
0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 Cp Hari ke- Cp data Cp hit