Netty, Kusumawati (2023) Eksplorasi Isolat Baru Dari Limbah Kelapa Sawit Untuk Biokonversi Biomassa Lignoselulosa Menghasilkan Xilitol Dan Etanol,. Doktor thesis, Universitas Brawijaya.
Abstract
Biomassa lignoselulosa banyak dihasilkan sebagai limbah dari hasil pertanian, perkebunan dan kehutanan. Bagian terbesar dari biomassa tersebut yang dapat mencapai 65-80% adalah selulosa dan hemiselulosa yang merupakan polimer gula. Untuk dapat memanfaatkan biomassa tersebut perlu tahap hidrolisis yang memecah polimer selulosa dan hemiselulosa (terutama xilan yang merupakan bagian terbesar) menjadi gula sederhana. Gula turunan dari biomassa sebagian besar terdiri dari gula heksosa (C6) dan pentosa (C5) yang dihasilkan dari proses hidrolisis selanjutnya difermentasi menjadi produk bernilai tambah seperti xilitol dan etanol. Tahap hidrolisis dan fermentasi yang banyak diteliti dan dilakukan adalah secara biokonversi dengan melibatkan enzim berasal dari mikroba. Kapang banyak diteliti sebagai sumber enzim selulase dan xilanase yang potensial, sedangkan khamir yang selain dapat memecah gula heksosa juga mampu memetabolisme gula pentosa diharapkan dapat melakukan fermentasi gula turunan dari biomassa dengan efektif. Salah satu sumber biomassa lignoselulosa terbesar di Indonesia adalah limbah tanaman kelapa sawit. Limbah biomassa kelapa sawit yang tersebar dan terdegradasi di area perkebunan menciptakan ekosistem yang mendukung pertumbuhan mikroba yang dapat memetabolisme dan memanfaatkan substrat dalam biomassa tersebut, sehingga berpotensi menjadi sumber isolat mikroba yang berperan dalam proses hidrolisis dan fermentasi biomassa lignoselulosa. Limbah biomassa kelapa sawit seperti Batang Kelapa Sawit (BKS) hasil penebangan tanaman yang sudah tidak produktif, juga dapat menjadi sumber polimer sakarida yang potensial, tetapi karena sifatnya yang kokoh dan kompak maka untuk memaksimalkan hidrolisis enzimatik pada bahan tersebut dapat diaplikasikan perlakuan awal untuk delignifikasi, misalnya dengan metode subcritical water (SCW). Tujuan penelitian ini dapat diuraikan dalam 3 tahapan penelitian sebagai berikut: Tahap I bertujuan memperoleh kapang untuk hidrolisis enzimatik polimer sakarida yang memiliki aktivitas selulolitik dan xilanolitik, serta melakukan perlakuan awal pada biomassa BKS untuk meningkatkan efisiensi sakarifikasi pada hidrolisis enzimatik menggunakan metode subcritical water (SCW). Tahap II bertujuan menghasilkan khamir yang mampu memetabolisme dan tumbuh dalam media yang mengandung gula pentose (xilosa) sebagai satu-satunya sumber karbon. Tahap III bertujuan melakukan karakterisasi enzim dari isolat kapang yang berperan dalam proses hidrolisis (yang diperoleh dari tahap I) dan menguji kemampuan isolat khamir (yang diperoleh dari tahap II) untuk fermentasi gula pentosa menghasilkan etanol dan xylitol. Rancangan penelitian yang digunakan adalah penelitian deskriptif. Data hasil penelitian merupakan rerata dari 3 kali ulangan dengan standar deviasi. Untuk melihat signifikasi dari aplikasi SCW untuk perlakuan awal terhadap komposisi kimia dan tingkat sakarifikasi BKS yang dilakukan pada tahap I dilakukan uji t. Hasil penelitian Tahap I: diperoleh tiga puluh dua isolat kapang menunjukkan aktivitas selulolitik dan xilanolitik dengan aktivitas enzim relatif (rasio diameter zona terhidrolisis dan diameter pertumbuhan koloni) berkisar antara 1,04 hingga 1,62. Berdasarkan karakteristik makro dan mikromorfologi, isolat tersebut diidentifikasi sebagai genus Trichoderma, Aspergillus, Rhizopus, Tallaromyces dan Penicillium. Aktivitas selulolitik tertinggi dicapai oleh isolat OPT1(4) yang diidentifikasi sebagai Talaromyces pinophilus dan sedangkan xilanolitik tertinggi isolat OPT1(1) yang diidentifikasi sebagai Talaromyces cellulolyticus menggunakan analisis molekuler dengan pengurutan DNA. Perlakuan pendahuluan dengan metode SCW pada suhu 170C, 400 psi, selama 20 menit pada sampel BKS menyebabkan penurunan kadar lignin dan hemiselulosa secara nyata (uji t, α=5%) masing-masing sebesar 30,43 dan 42,53%, sedangkan persentase selulosa meningkat sebesar 50,34%. Analisis spektroskopi X-Ray Diffraction menunjukkan penurunan fraksi amorphous dan hasil analisis dengan Fourier Transform Infrared (FTIR) menunjukkan berkurangnya puncak serapan yang disebabkan oleh gugus fungsi lignin pada BKS setelah diaplikasikan perlakuan SCW. Total gula pereduksi setelah hidrolisis enzimatik meningkat secara nyata (dari hasil uji t dengan α=5%) pada sampel yang diberi perlakuan SCW, yaitu 11,03 (g/g), dibandingkan dengan BKS tanpa perlakuan SCW yaitu 6,50 (g/g). Hasil samping dari perlakuan SCW pada BKS menghasilkan hidrolisat yang mengandung gula xilosa dan glukosa berturut-turut sebesar 4.859 dan 4.900 g/L, serta mengandung furfural dan asam asetat berturut-turut sebesar 0.293 and 2.224 g/L. Hasil penelitian Tahap II: diperoleh enam isolat khamir dari limbah kelapa sawit yaitu SLI (1), SL3, SL6, SL7, R5, dan OPT4B, yang mampu memetabolisme dan tumbuh pada media yang mengandung xilosa sebagai sumber karbon. Isolat khamir tersebut memiliki suhu optimum 37C hampir sama dengan pertumbuhan pada suhu 30C. Isolat yang diperoleh menunjukkan pertumbuhan yang signifikan pada suhu 42C sehingga dapat dikelompokkan sebagai thermotolerant. Tiga isolat yaitu SL1(1), R5, dan SL6 juga mampu tumbuh pada hidrolisat cair yang dihasilkan sebagai hasil samping perlakuan SCW pada BKS. Hasil penelitian Tahap III: produksi selulase (CMC-ase) oleh isolat OPT1(1) dan OPT1(4) lebih besar jika menggunakan sumber Nitrogen berupa pepton dibandingkan dengan urea dan ekstrak daging, tetapi untuk produksi xilanase diperoleh hasil yang hampir sama menggunakan ketiga sumber Nitrogen tersebut. Suhu dan pH awal media yang optimal untuk produksi selulase oleh isolat OPT1(1) dan OPT1(4) berturut-turut adalah 30C dan 4,0 sedangkan untuk produksi xilanase adalah 30C dan 4,5. Pada suhu dan pH awal yang optimal tersebut produksi selulase oleh isolat OPT1(1) mencapai maksimal setelah inkubasi selama 7 hari dengan aktivitas enzim sebesar 12,85 U/mL, dan untuk isolat OPT1(4) setelah inkubasi 6 hari dengan aktivitas enzim sebesar 15.17 U/mL. Untuk produksi xilanase oleh isolat OPT1(4) dan OPT1(1) mencapai maksimal setelah inkubasi selama 8 hari dengan aktivitas enzim berturut-turut sebesar 15,74 dan 60,33 U/mL. Enzim selulase dan xilanase dari isolat OPT1(1) dan OPT1(4) beraktivitas dengan baik pada pH 5-6 dan suhu 50-60C dengan aktivitas relatif di atas 80%. Pada pemurnian parsial enzim xilanase dari isolat OPT1(1) diperoleh tingkat kemurnian enzim meningkat 2,98 kali dari ekstrak enzim kasar dengan ix aktivitas spesifik 59,46 (U/mg protein). Profil protein yang disekresikan isolat OPT1(1) pada uji zymogram menunjukkan terdapat 5 protein dengan berat molekul 17,4 ; 35,9 ; 40,4 ; 61,2 ; 68,3 kDa, yang memiliki aktivitas xilanolitik. Dari uji whole genome sequences (WGS) isolat Talaromyces celulolyticus OPT1(1) memiliki gen terkait dengan produksi selulase dengan total 30 gen, terdiri dari: 1 AA9, 2 CBM1, 18 GH5, 5 GH9, 1 GH6, 2 GH7, 1 GH74, dan gen terkait dengan produksi hemiselulosa, total 53 gen, terdiri dari: 5 GH54, 3 GH12, 1 GH16, 1 GH17, 24 GH3, 2 GH30, 3 GH43, 10 GH5, 4 GH51, dan gen terkait produksi pektinase dan amilase dengan jumlah berturut-turut 17 dan 24. Isolat kapang yang dihasilkan dari penelitian ini berpotensi digunakan dalam proses hidrolisis untuk biokonversi limbah biomassa lignoselulosa. Dari penelitian tahap III juga diperoleh hasil bahwa pada media yang mengandung xilosa sebagai satu-satunya sumber karbon, empat dari enam isolat khamir yang dihasilkan dari tahap II yaitu SLI (1), SL6, SL7, dan R5 mampu menghasilkan xilitol dengan konsentrasi berkisar antara 5,0-6,0 g/L. Lima dari enam isolat yang diuji yaitu SLI (1), SL6, SL3, R5, dan OPT4B menghasilkan etanol dalam media yang mengandung xilosa dengan konsentrasi berkisar antara 0,85-1,34 g/L, sedangkan pada media yang mengandung glukosa sebagai sumber karbon konsentrasi etanol yang dihasilkan berkisar 63,50-70,75 g/L. Identifikasi berdasarkan urutan 18S rDNA menunjukkan bahwa isolat SL1(1) dan R5 adalah Pichia kudriavzevii, sedangkan isolat SL6 adalah Candida xylopsoci. Isolat khamir yang dihasilkan dari penelitian ini berpotensi digunakan dalam proses fermentasi untuk biokonversi limbah biomassa lignoselulosa menghasilkan xylitol dan etanol.
English Abstract
Most lignocellulosic biomass was produced as waste from agricultural, plantation, and forestry products. The biggest part of the biomass 65-80% was cellulose and hemicellulose, which are sugar polymers. To utilize this biomass, a hydrolysis step is needed to break down cellulose and hemicellulose polymers (especially xylan, which is the biggest part) to become simple sugars. Biomassderived sugars consisting of hexose (C6) and pentose (C5) were fermented further into value-added products such as xylitol and ethanol. The hydrolysis and fermentation stages extensively researched and carried out were bioconversion involving enzymes derived from microbes. Fungus was studied extensively as a potential source of cellulase and xylanase enzymes. Yeasts could break down hexose sugars and metabolize pentose sugars. The yeasts were expected to be able to carry out the fermentation of sugars derived from biomass effectively. One of the largest sources of lignocellulosic biomass in Indonesia is palm oil waste. Palm oil biomass waste that is dispersed and degraded in the plantation area creates an ecosystem that supports the growth of microbes that can metabolize and utilize the substrates in the biomass so that it has the potential to become a source of microbial isolates that play a role in the hydrolysis and fermentation processes of lignocellulosic biomass. Oil palm biomass waste such as Palm Oil Stems (BKS) resulting from logging of plants that are no longer productive can also be a potential source of saccharide polymers, but because of their sturdy and compact nature, to maximize enzymatic hydrolysis of these materials, pre-treatment for delignification can be applied. for example, with the subcritical water (SCW) method. The objectives of this study can be described in 3 research stages as follows: Stage I aims to obtain molds for enzymatic hydrolysis of saccharide polymers that have cellulolytic and xylanolytic activities, as well as pre-treating BKS biomass to increase saccharification efficiency in enzymatic hydrolysis using the subcritical water (SCW) method. Stage II aims to produce yeasts that can metabolize and grow in media containing pentose sugar (xylose) as the only carbon source. Stage III aims to characterize enzymes from molds isolates that play a role in the hydrolysis process (obtained from stage I) and to test the ability of yeast isolates (obtained from stage II) to ferment pentose sugars to produce ethanol and xylitol. The research design used is descriptive research. The research data is the average of 3 repetitions with a standard deviation. The t-test was used to see the significance of the SCW application for pre-treatment of the chemical composition and level of BKS saccharification in stage I. Results of the Stage I: thirty-two mold isolates showed cellulolytic and xylanolytic activity with relative enzyme activity (ratio of hydrolysed zone diameter and colony growth diameter) ranging from 1,04 to 1,62. Based on macro and micro- morphological characteristics, the isolates were identified as the genus Trichoderma, Aspergillus, Rhizopus, Tallaromyces, and Penicillium. The highest cellulolytic activity was achieved by OPT1(4) which was identified as Talaromyces pinophilus and while the highest xylanolytic activity was OPT1(1) which was identified as Talaromyces cellulolyticus using molecular analysis with DNA sequencing. Pre-treatment with the SCW method at 170°C, 400 psi, for 20 minutes on BKS samples caused a significant decrease in lignin and hemicellulose levels (t-test, α=5%), respectively by 30,43 and 42,53%, while the percentage of cellulose increased by 50,34%. X-Ray Diffraction spectroscopic analysis showed a decrease in the amorphous fraction and the results of analysis with Fourier Transform Infrared (FTIR) showed a reduction in absorption peaks caused by the lignin functional groups in BKS after SCW treatment was applied. The total reducing sugars after enzymatic hydrolysis increased significantly (from the results of the ttest with α=5%) in the samples treated with SCW, namely 11,03 (g/g), compared to BKS without SCW treatment, namely 6,50 (g/ g). The by-products of the SCW treatment on BKS produced hydrolysates containing xylose sugar and glucose of 4,859 and 4,900 g/L, respectively, and containing furfural and acetic acid of 0,293 and 2,224 g/L respectively. Results of the Phase II: six yeast isolates from palm oil waste, namely SLI (1), SL3, SL6, SL7, R5, and OPT4B, were obtained, which were able to metabolize and grow on media containing xylose as a carbon source. The yeast isolate had an optimum temperature of 37°C, almost the same as growth at 30°C. The isolates obtained showed significant growth at 42°C so that they were classified as thermotolerant. Three isolates, namely SL1(1), R5, and SL6 were also able to grow on the liquid hydrolyzate produced as a by-product of SCW treatment on oil palm trunks. Results of the Stage III: cellulase (CMC-ase) production by OPT1(1) and OPT1(4) isolates was greater using nitrogen sources in the form of peptones compared to urea and meat extracts, but for xylanase production almost the same results were obtained using all three nitrogen sources. The optimal initial temperature and pH of the media for cellulase production by isolates OPT1(1) and OPT1(4) were 30C and 4,0 respectively, while for xylanase production were 30C and 4,5. At the optimal initial temperature and pH, cellulase production by OPT1(1) isolates reached a maximum after 7 days of incubation with an enzyme activity of 12,85 U/mL, and for OPT1(4) isolates after 6 days of incubation with an enzyme activity of 15,17 U/mL. For xylanase production by isolates OPT1(1) and OPT1(4) reached a maximum after incubation for 8 days with enzyme activity of 15,74 and 60,33 U/mL, respectively. The cellulase and xylanase enzymes from OPT1(1) and OPT1(4) isolates performed well at pH 5-6 and temperature 50-60°C with relative activity above 80%. In the partial purification of the xylanase enzyme from OPT1(1) isolate, the level of enzyme purity increased 2,98 times that of the crude enzyme extract with a specific activity of 59,46 (U/mg protein). The protein profile secreted by OPT1(1) isolate on the zymogram test showed that there were 5 proteins with a molecular weight of 17,4; 35,9; 40,4; 61,2; 68,3 kDa, which has xylanolytic activity. From the whole genome sequences (WGS) test, the isolate Talaromyces celulolyticus OPT1(1) has genes related to cellulase production with a total of 30 genes, consisting of: 1 AA9, 2 CBM1, 18 GH5, 5 GH9, 1 GH6, 2 GH7, 1 GH74, and genes related to hemicellulose production, a total of 53 genes, consisting of: 5 GH54, 3 GH12, 1 GH16, 1 GH17, 24 GH3, 2 GH30, 3 GH43, 10 GH5, 4 GH51, and genes related to the production of pectinase and amylase with a number 17 xii and 24 respectively. Mold isolates produced from this study have the potential to be used in the hydrolysis process for bioconversion of lignocellulosic biomass waste. Phase III research found that in media containing xylose as the only carbon source. Four of six yeast isolates produced from stage II namely SLI (1), SL6, SL7, and R5 can produce xylitol with concentrations ranging from 5 .0-6.0g/L. Five of the six isolates tested, namely SLI (1), SL6, SL3, R5, and OPT4B produced ethanol in media containing xylose with concentrations ranging from 0.85-1.34 g/L, while in media containing glucose as a source carbon concentration of the ethanol produced ranges from 63.50 to 70.75 g/L. Based on the 18S rDNA sequence, isolates SL1(1) and R5 was identified as Pichia kudriavzevii, while isolates SL6 was Candida xylopsoci. Yeast isolates obtained from this study have the potency to be used in the fermentation process for bioconversion of lignocellulosic biomass waste to produce xylitol and ethanol.
| Item Type: | Thesis (Doktor) |
|---|---|
| Identification Number: | 052310 |
| Uncontrolled Keywords: | ignocellulosic biomass, hydrolysis, fermentation, cellulase, xylanase, xylitol, ethanol biomassa lignoselulosa, hidrolisis, fermentasi, selulase, xilanase, xilitol, etanol |
| Divisions: | Fakultas Teknologi Pertanian > Teknologi Industri Pertanian |
| Depositing User: | Unnamed user with username verry |
| Date Deposited: | 15 Jan 2024 02:26 |
| Last Modified: | 15 Jan 2024 02:26 |
| URI: | http://repository.ub.ac.id/id/eprint/209713 |
![[thumbnail of Dalam Masa Embargo]](http://repository.ub.ac.id/style/images/fileicons/text.png) |
Text (Dalam Masa Embargo)
Netty Kusumawati, STP., M.Si..pdf Restricted to Registered users only until 31 December 2025. Download (6MB) |
Actions (login required)
 |
View Item |