Conceptual Process Design of Acidogenic Fermentation from Oil Palm Empty Fruit Bunch to Produce Volatile Fatty Acids for Fungal Growth

KINANTHI M, Dr. Ria Millati, S.T., M.T.

2022 | Disertasi | DOKTOR ILMU PANGAN

Tujuan dari penelitian ini adalah membuat konsep baru untuk proses biokonversi tandan kosong kelapa sawit (TKKS) menjadi volatile fatty acids (VFAs) yang akan digunakan untuk produksi biomassa jamur, dengan menggunakan pretreatment organosolv untuk delignifikasi yang dikombinasikan dengan heat shock pada inokulum untuk acidogenic fermentation. Penelitian ini memberikan bukti bahwa VFAs yang dihasilkan dapat digunakan sebagai sumber karbon untuk menumbuhkan jamur pangan. Organosolv pretreatmen dengan solven berupa ethanol 50% dan asam sulfat sebagai katalis dilakukan untuk recovery lignin dan selulosa dengan tingkat kemurnian dan kecernaan yang tinggi. Faktor-faktor berupa jenis katalis dan konsentrasinya, suhu, waktu retensi, dan solid to liquid ratio (S/L) mempengaruhi tingkat kemurnian dan recovery lignin. Pada kondisi pretreatment terbaik (0,07% H2SO4, 210°C, 90 menit, dan rasio S/L 1:10), diperoleh tingkat kemurnian dan recovery lignin masing-masing sebesar 70,6±4,9% dan 64,94±1,09%. Selama 18 jam hidrolisis dengan enzim loading sebesar 30 FPU/ g glukan, fraksi kaya glukan menunjukkan digestibility sebesar 94,06±4,71%. Fraksi kaya glukan, fraksi kaya senyawa hemiselulosa, dan campuran kedua fraksi yang diperoleh dari tandan kosong kelapa sawit (TKKS) digunakan sebagai substrat untuk memproduksi VFAs melalui proses fermentasi asidogenik. Efek dari rasio karbon terhadap nitrogen (C/N), suplementasi dengan elemen jejak, penambahan 2-bromoetanasulfonat, dan heat-shock treatment untuk peningkatan produksi dan akumulasi VFAs dipelajari dan dievaluasi. Jumlah tertinggi dari VFAs yang dihasilkan adalah 0,50±0,00 g VFAs/g volatile solid (VS). Hasil tersebut diperoleh ketika metanogenesis dihambat oleh heat-shock treatment dengan substrat berupa campuran dari fraksi kaya glukan dan hemiselulosa. Asam asetat adalah satu-satunya VFA yang dihasilkan pada kondisi tersebut. Untuk mengetahui potensi VFA sebagai sumber karbon untuk produksi biomassa jamur, cairan hasil fermentasi asidogenik yang kaya asam asetat digunakan sebagai media pertumbuahan Aspergillus oryzae, Rhizopus microsporus var. oligosporus, dan Neurospora Intermedia. Di antara ketiga jamur tersebut, Aspergillus oryzae menghasilkan biomassa jamur tertinggi, yaitu sebesar 0,31±0,00 g biomassa kering/g asam asetat, pada medium yang diperkaya dengan nitrogen dan mineral. Kandungan protein dari biomassa jamur yang dihasilkan berkisar antara 15,5-16,1% berat kering. Hasil dari penelitian ini dapat digunakan sebagai salah satu alternatif desain proses untuk biokonversi TKKS menjadi asam asetat serta pemanfaatan asam asetat yang dihasilkan dalam industri makanan.

The purpose of this research is to conceptualize a novel bioconversion process of oil palm empty fruit bunches (OPEFB) biomass into volatile fatty acids (VFAs) to be used for fungal biomass production, by the use of organosolv pretreatment for delignification combined with heat shock on the acidogenic fermentation inoculum. This research provides a first proof of concept for the use of OPEFB-derived VFAs as a carbon source for fungal cultivation. Acid-catalyzed organosolv using ethanol as a solvent was used for the recovery of high-purity lignin and digestible cellulose. Factors including catalyst type and its concentration, temperature, retention time, and solid-to-liquid (S/L) ratio were found to influence lignin purity and recovery. In the best conditions (0.07% H2SO4, 210°C, 90 min, and S/L ratio of 1:10), a lignin purity and recovery of 70.6±4.9% and 64.94±1.09%, respectively, were obtained in addition to the glucan-rich fraction. The glucan-rich fraction showed 94.06±4.71% digestibility within 18 h at an enzyme loading of 30 filter paper units (FPU) /g glucan. The glucan-rich fraction, hemicellulosic compounds-rich fraction, and a mixture of both fractions obtained from organosolv pretreatment of oil palm empty fruit bunch (OPEFB) were used as substrates to produce volatile fatty acids (VFAs) in acidogenic fermentation. The effects of medium adjustment with respect to carbon to nitrogen ratio and trace elements supplementation and methanogenesis inhibition (through the addition of 2-bromoethanesulfonate or by heat shock) as to enhance VFAs yield were investigated. The highest VFA yield was 0.50±0.00 g VFAs/g volatile solid (VS), which was obtained when methanogens were inhibited by heat shock and cultivated in a mixture of glucan-rich and hemicellulosic compounds-rich fractions. Under these conditions, acidogenic fermentation produced acetic acid as the only VFA. To identify the potential of VFA as a carbon source for the production of fungal biomass, the fermented liquid from acidogenic fermentation rich in acetic acid was used as fermentation media for the growth of Aspergillus oryzae, Rhizopus microspora var. oligosporus, and Neurospora Intermedia. Among the three fungi, Aspergillus oryzae gave the best fungal biomass of yielded 0.31±0.00 g dry biomass/g acetic acid, with C/N adjustment and major minerals supplementation. The protein content of the fungi produced was in the range of 15.5-16.1% db. The results presented in this research provide an alternative concept process of OPEFB bioconversion into acetic acid and the possible utilization of the acetic acid produced in the food industry.

Kata Kunci : tandan kosong kelapa sawit, volatile fatty acids, pretreatment, organosolv, jamur