PENURUNAN KADAR LIGNIN DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) DAN PEMECAHAN MATERIAL SELULOSA UNTUK PEMBENTUKAN GLUKOSA DENGAN PROSES FUNGAL TREATMENT

PENURUNAN KADAR LIGNIN DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) DAN PEMECAHAN MATERIAL

SELULOSA UNTUK PEMBENTUKAN GLUKOSA DENGAN PROSES FUNGAL TREATMENT

Fanandy Kristianto / 2309 100 064 Aldino Jalu Gumilang / 2309 100 087

Dosen Pembimbing :

Latar Belakang

1 Luas perkebunan kelapa sawit =

5.358.423 hektar, total produksi minyak = 10.683.756 ton (Ditjenbun,

2008)

Limbah padat berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS) = 4,2 juta ton

(2009)

TKKS mengandung Hemiselulosa 28% = Xilosa 33% (KweiNam-Law, 2010).

Potensi Glukosa

Obat

Alkohol

Makanan

Pengolahan Konvensional

Fungal Treatment

4

White Rot Fungi

Brown Rot Fungi TKKS

White Rot Fungi

White Rot Fungi Tricodherma Harzianum

Brown Rot Fungi

4

Brown Rot Fungi

Tricodherma Viride

Tujuan

1. Memanfaatkan Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) sebagai bahan baku pembuat glucose

2. Mendapatkan kondisi optimal untuk proses degradasi lignin

3. Mendapatkan kondisi optimal untuk proses degradasi

cellulose dan hemicellulose

Batasan Masalah

6 1. Bahan baku pembuatan glukosa yang digunakan adalah

Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)

2. Proses Fungal Treatment degradasi lignin menggunakan fungi Tricodherma harzianum dan Phanerochaete

chrysosporium, dilanjutkan dengan degradasi cellulose

dan hemicellulose menggunakan fungi Aspergillus niger dan Tricodherma viride.

Manfaat Penelitian

1. Memberikan alternatif pembuatan glukosa sebagai salah satu bahan baku utama bidang industri seperti makanan, energi, obat-obatan dan polimer sekaligus penanganan limbah berserat, yaitu Tandan kosong kelapa sawit (TKKS)

2. Mengetahui kondisi optimal kinerja fungi Tricodherma

harzianum dan Phanerochaete chrysosporium pada degradasi

lignin, kemudian mengetahui kondisi optimal pada proses hidrolisis menggunakan Aspergillus niger dan Tricodherma

viride sehingga nantinya dapat diterapkan pada produksi

Tandan Kosong Kelapa Sawit

Tandan kosong kelapa sawit

merupakan limbah utama dari

industri pengolahan kelapa sawit menjadi minyak sawit. Persentase

serat dan cangkang biji

masing-masing sebesar 13% dan 5,5% dari tandan buah segar

(Pusat Penelitian Kelapa Sawit 2008).

Komponen utama dari limbah

padat kelapa sawit adalah selulosa dan lignin sehingga limbah ini juga disebut limbah lignoselulosa

Tandan Kosong Kelapa Sawit

9

Komposisi kimiawi tandan kosong kelapa sawit

Sumber : Richana et al. (2011)

Komponen Persentase (bobot kering) Abu 2.09 Air 7.93 Lignin 23.15 Selulosa 46.29 Hemiselulosa 20.54

Lignin sulit didegradasi karena strukturnya yang kompleks dan heterogen yang berikatan dengan selulosa dan hemiselulosa dalam jaringan tanaman. Lignin yang melindungi selulosa bersifat tahan terhadap hidrolisis karena adanya ikatan arilalkil dan ikatan eter

Degradasi Lignin

11 Degradasi lignin terjadi pada akhir pertumbuhan primer melalui metabolisme sekunder dalam kondisi defisiensi nutrien seperti nitrogen, karbon atau sulfur (Hatakka, 2001)

Enzim Tipe Enzim Peran dalam Degradasi Dihasilkan

Lignin peroksidase (LiP)

Peroksidase Degradasi unit non-fenolik

Phanaerochaete chrysosporium Manganese

peroksidase (MnP)

Peroksidase Degradasi unit fenolik dan nonfenolik dengan

lipid

Phanaerochaete chrysosporium Laccase (Lac) Lignin Oksidase Oksidasi unit fenolik dan

unit nonfenolik dengan mediator

Phanaerochaete chrysosporium,

Tricodherma harzianum

Tricodherma Harzianum

Enzim = Laccase, β-1,3-glucanase

(pendegradasi

dinding sel patogen) Suhu = 7 – 41 0_C

Suhu optimum = 35 0_C

pH = 3 – 7

pH optimum = 4

Phanerochaete Chrysosporium

16 Enzim = Laccase, LiP, MnP

(Bajpai, 1999)

ligninase, selulase, xilanase

(Highley dan Kirk 1979)

Suhu = 25°C - 50°C

Suhu optimal = 40 °C

(Rayner dan Boddy 1988)

pH = 4-7,

Sifat = Aerob

Aspergillus Niger

Enzim=Amilase, pektinase, amiloglukosidase, dan selulase. Suhu = 35-37 °C Suhu minimum = 6-8 °C Suhu maksimum = 45-47 °C Sifat = Aerobik

(Frazier dan Westhoff 1981)

pH = 2 – 5

Tricodherma Viride

18

Enzim= Enzim – enzim selulolitik

(endoglukanas, eksoselobiohidrolase, dan b-glikosidase) Suhu = 7 – 41 0_C Suhu optimum = 35 0_C pH = 3 – 7 pH optimum = 4

(Domsch et al. 1980; Kredics et al, 2003)

Penelitian Terdahulu

No Peneliti Nama Jurnal, Tahun, Judul Penelitian Hasil 1. M. Inuwa Ja’aru, Obasola Ezekiel Fagade

Jurnal of Biological Science Cellulase, 2007, “Production and Enzymatic Hydrolysis of Some Selected Local Lignocellulosic Material by A Strain of Aspergillus niger”

larutan NaOH meningkatkan kemampuan A. niger untuk memproduksi selulase

Penelitian Terdahulu

14 No Peneliti Nama Jurnal, Tahun, Judul

Penelitian Hasil 2. Johannes Harinata Yoshari, Bagus Okti Ariyanto Skripsi S1, 2010, “Pembuatan Bioethanol dari Tandan Kosong Kelapa Sawit Melalui Proses Fungal Treatment oleh Kombinasi Tricodherma harzianum, Tricodherma viride, Aspergillus niger Dilanjutkan Proses Fermentasi oleh Zymomonas mobilis” Tricodherma harzianum mendegradasi lignin sampai 82,54% (40o_{C dan} pH 5-6)

Penelitian Terdahulu

No Peneliti Nama Jurnal, Tahun, Judul Penelitian Hasil 3. M. Rubeena, Mannan Neethu

Jurnal of Bioscience and Biotechnology, 2013,

“Lignocellulolytic activities of a novel strain of Trichoderma harzianum” Terdapat aktifitas enzim Cellulose, Xylanaase, Lignocellulotyc pada medium agar dengan pH optimum 4, hari ke-4.

Kondisi Operasi

• Massa TKKS : 30 gram

• Ukuran TKKS : 20 mesh

• Rasio TKKS : Air : 3:5 (w/w)

• Lama Fungal Treatment 1 : 5 hari

• Lama fungal treatment 2 : 4 hari

• pH fungal treatment : 4-6

• Suhu fungal treatment : 37 o_C

• Agitator : 50 rpm

•Aspergilus niger : Tricodherma viride : 2:1

Kondisi Operasi

15 Tempat pelaksanaan penelitian

TKKS

Variabel

Kondisi Log

Fungi Run 1 Run 2 Run 3

Ratio (20% vol bubur TKKS awal)

Phanerochaete chrysosporium 1 2 1

Besaran Yang Di Ukur

17

BESARAN YANG DIUKUR WAKTU PENGUKURAN

Kadar Lignin Awal, Hari ke-5, Hari ke-9 Kadar Selulosa Awal, Hari ke-5, Hari ke-9 Kadar Hemi Selulosa Awal, Hari ke-5, Hari ke-9 Kadar Glukosa Awal, Hari ke-5, Hari ke-9

Desain Alat Percobaan

Keterangan alat : 1. Motor + Gear Box 2. Water Bath 3. Temperature Display 4. Temperature Control 5. Reaktor 6. Agitator 7. Penyangga Reaktor 8. Heater 1 2 3 4 5 7 6 8

Desain Alat Percobaan

18 Keterangan alat : 1. Temperature Control 2. Heater 3. Reaktor 4. Agitator

5. Motor + Gear Box 6. Water Bath

Prosedur Kerja

19

Pretreatment Tandan kosong kelapa sawit (TKKS)

Analisa selulosa, hemiselulosa, lignin

dan glukosa Fungal Treatment I

(Tricodherma harzianum dan

Phanerochaete chrysosporium)

Fungal Treatment II (Aspergilus niger dan

Tricodherma viride)

Prosedur Kerja

Pretreatment Tandan kosong kelapa sawit (TKKS)

Pembuatan bubur TKKS dengan mencampur TKKS dan

air dengan rasio berat 3:5 TKKS dicuci, dimasak, digiling

kemudian disaring hingga berukuran 20 mesh

Prosedur Kerja

21

Fungal Treatment I

(Tricodherma harzianum dan Phanerochaete chrysosporium)

Fungal Treatment II (Aspergilus niger dan

Tricodherma viride)

Penambahan jamur dan dibiarkan sampai hari ke-5 dengan pengadukan

dan Aerasi pada Suhu 37 o_{C, pH 4-6}

Analisa

Penambahan jamur pada hari ke-5 dan dibiarkan sampai hari ke-9 dengan pengadukan dan Aerasi pada

Suhu 37 o_{C, pH 4-6}

Analisa Penyaringan

Prosedur Analisa

1. Metode Chesson Analisa Lignin, Hemiselulosa dan Selulosa 1. Dinitrosalicylic Acid (DNS)

2. High Performance Liquid Chromatography (HPLC)

KADAR TKKS AWAL

Komponen Komposisi (%berat) Lignin 23,51 Hemiselulosa 18,5 Selulosa 47,8 Air 4,8 Abu 5,39 TOTAL 100 Komponen Persentase (bobot kering) Lignin 23.15 Hemiselulosa 20.54 Selulosa 46.29 Air 7.93 Abu 2.09

Fungal Treatment 1 - KADAR LIGNIN

0 5 10 15 20 25

TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3 23,51 16,399 14,769 18,122 K ada r lignin (%) _{TKKS awal} Run 1 Run 2 Run 3

Kadar lignin setelah proses fungal treatment 1

TKKS Awal PC:TH = 1:1 PC:TH = 2:1 PC:TH = 1:2

Fungal Treatment 1 - KADAR SELULOSA

25 45,5 46 46,5 47 47,5 48

TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3

47,8 47,308 46,390 47,650 K ada r Selulos a (%) TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3

Kadar selulosa setelah proses fungal treatment 1

TKKS Awal PC:TH = 1:1 PC:TH = 2:1 PC:TH = 1:2

Fungal Treatment 1 - KADAR HEMISELULOSA

15 16 17 18 19 TKKS awal

Run 1 Run 2 Run 3 18,5 17,432 16,654 17,782 K adar Hemis elulosa (%) TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3 TKKS Awal PC:TH = 1:1 PC:TH = 2:1 PC:TH = 1:2

Fungal Treatment 1 - KADAR GLUKOSA

27 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200

Run 1 Run 2 Run 3

0,157 _0,165 0,093 K adar Gluk os a (mg /m l) Run 1 Run 2 Run 3

Kadar Glukosa setelah proses fungal treatment 1

PC:TH = 1:1 PC:TH = 2:1 PC:TH = 1:2

Fungal Treatment 2 - KADAR LIGNIN

28 0 5 10 15 20 25 TKKS awal

Run 1 Run 2 Run 3

23,51 11,191 3,592 12,716 K ada r Lignin (%) TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3

Kadar Lignin setelah proses fungal treatment 2

TKKS Awal PC:TH = 1:1 PC:TH = 2:1 PC:TH = 1:2

Fungal Treatment 2 - KADAR SELULOSA

38 40 42 44 46 48

TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3

47,8 42,456 41,429 44,022 K ada r Selulos a (%) TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3 TKKS Awal PC:TH = 1:1 PC:TH = 2:1 PC:TH = 1:2

Fungal Treatment 2 - KADAR HEMISELULOSA

30 14 16 18 20

TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3 18,5 15,952 15,501 16,913 K ada r He mi se lulos a ( %) TKKS awal Run 1 Run 2 Run 3 TKKS Awal PC:TH = 1:1 PC:TH = 2:1 PC:TH = 1:2

Fungal Treatment 2 - KADAR GLUKOSA

0,000 0,100 0,200

Run 1 Run 2 Run 3

0,173 0,198 0,110 K ada r Gluk os a (mg /ml) Run 1 Run 2 Run 3 PC:TH = 1:1 PC:TH = 2:1 PC:TH = 1:2

LIGNIN REMOVAL

0 50 100

FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2

Run 1 (1:1) Run 2 (2:1) Run 3 (1:2) 30,248 52,400 37,179 84,720 22,916 45,911 %R emov al Lignin (%) P.Chrysosporium : T.harzianum

SELULOSA REMOVAL

33 0 10 20 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2

Run 1 (1:1) Run 2 (2:1) Run 3 (1:2) 1,030 11,180 2,950 13,328 0,313 7,905 %R emov al Selulos a (%) P.Chrysosporium : T.harzianum

HEMISELULOSA REMOVAL

0 5 10 15 20 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2

Run 1 (1:1) Run 2 (2:1) Run 3 (1:2)

5,771 13,774 9,980 16,209 3,881 8,581 %R emov al Hemiselulos a (%) P.Chrysosporium : T.harzianum

%PEMBENTUKAN GLUKOSA

35

Kadar glukosa masing – masing variabel pada FT 1 dan FT 2 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 RUN 1 (1:1) RUN 2 (2:1) RUN 3 (1:2) 0,157 0,173 0,165 0,198 0,093 0,110 K adar ( mg /ml) P.Chrysosporium : T.harzianum

%PEMBENTUKAN GLUKOSA

90,00 95,00 100,00 105,00 110,00 115,00 120,00 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2

Run 1 (1:1) Run 2 (2:1) Run 3 (1:2)

100,00 109,96 100,00 119,95 100,00 118,04 %K enai ka n G luk osa (%) P.Chrysosporium : T.harzianum

KESIMPULAN

1. TKKS dapat digunakan sebagai bahan baku glukosa

2. Kondisi optimal degradasi lignin pada proses fungal treatment terdapat pada Run 2 FT 2 sebesar 3,592%. Dengan kadar lignin removal sebesar 84,72%

3. Kondisi optimal hidrolisa selulosa pada proses fungal treatment terdapat pada Run 2 FT 2 sebesar 41,429%. Dengan kadar selulosa removal sebesar 13,328%

4. Kadar dan yield glukosa terbaik terdapat pada fungal treatment 2 Run 2 sebesar 0,198%. Dengan kenaikan pembentukan glukosa sebesar 119,95%

PENURUNAN KADAR LIGNIN DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) DAN PEMECAHAN MATERIAL

SELULOSA UNTUK PEMBENTUKAN GLUKOSA DENGAN PROSES FUNGAL TREATMENT

Fanandy Kristianto / 2309 100 064 Aldino Jalu Gumilang / 2309 100 087

Dosen Pembimbing :

PENURUNAN KADAR LIGNIN DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) DAN PEMECAHAN MATERIAL SELULOSA UNTUK

PEMBENTUKAN GLUKOSA DENGAN PROSES FUNGAL

TREATMENT

REDUCING LIGNIN CONTENT AND CELLULOSE MATERIAL BREAKDOWN OF OIL PALM EMPTY FRUIT BUNCHES (TKKS) FOR GLUCOSE PRODUCTION BY FUNGAL TREATMENT PROCESS

Fanandy Kristianto / 2309 100 064 Aldino Jalu Gumilang / 2309 100 087

Lignocellulose

Degradasi Lignin

LiP mengoksidasi unit non fenolik lignin melalui pelepasan satu lektron dan membentuk radikal kation yang kemudian terurai secara kimiawi. LiP dapat memutus ikatan Cα-Cβ molekul lignin dan mampu membuka cincin lignin dan reaksi lain (Hatakka, 2001)

Degradasi Lignin

13 MnP mengoksidasi Mn2+ _{menjadi Mn}3+_{. Sifat reaktif Mn}3+ _yang

tinggi selanjutnya mengoksidasi cincin fenolik lignin menjadi radikal bebas tak stabil dan diikuti dengan dekomposisi lignin secara spontan (Hatakka, 2001)

Degradasi Lignin

Laccase mengoksidasi cincin fenolik menjadi radikal fenoksil

Cellulose

Variabel dibalik

9 Komp. TKKS Awal (%) Komposisi (%) Perbandingan PC : TH (2:1) BN Asli FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 Lignin 23,51 21,608 19,211 14,769 3,592 Hemi 18,5 9,540 3,898 16,654 15,501 Selulosa 47,8 40,569 39,068 46,390 41,429 Air 4,8 22,478 30,984 18,390 33,591 Abu 5,39 5,804 6,772 3,779 5,865 Glukosa 0 0,000 0,068 0,018 0,022 TOTAL 100 100 100 100 100

KADAR GLUKOSA (HPLC)

Kadar glukosa dengan metode HPLC

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 RUN 1 (1:1) RUN 2 (2:1) 0,097 0,119 _0,112 0,135 K ada r Gluk os a (mg /ml) P.Chrysosporium : T.harzianum RUN 1 (1:1) FT 1 RUN 1 (1:1) FT 2 RUN 2 (2:1) FT 1 RUN 2 (2:1) FT 2

%PEMBENTUKAN GLUKOSA (HPLC)

35

%Pembentukan glukosa dengan metode HPLC

0 20 40 60 80 100 120 140 FT 1 FT 2 FT 1 FT 2 Run 1 (1:1) Run 2 (2:1) 96,884 118,793 _112,055 134,826 % P emb entuk an Glu kosa (%) P.Chrysosporium : T.harzianum Run 1 (1:1) FT 1 Run 1 (1:1) FT 2 Run 2 (2:1) FT 1 Run 2 (2:1) FT 2

Pretreatment Lignocellulose

Biodelignifikasi terjadi karena enzim-enzim ekstraseluler yang diproduksi oleh mikroba perombak lignin pada kayu. Degradasi yang paling efisien harus dapat membebaskan struktur kristal selulosa dengan memperluas daerah amorf serta membebaskan dari lapisan

Biological Pretreatment

9

White Rot Fungi Brown Rot Fungi

Lignocellulose

Biological Pretreatment

Dampak perlakuan biodelignifikasi pada dinding sel dengan menggunakan Phanerochaete Chrysosporium

Tabel Solubilitas

1

Solubilitas oksigen (mg/L) dalam air ditunjukan dalam water – saturated air pada tekanan 760 mm Hg dalam satuan ppt (part per thousand)

Kurva Mikroba