vintagehome

vintagehome

Minggu, 02 Juni 2013

Produksi Asam Sitrat


Laporan Praktikum Teknologi Bioindustri

Hari/Tanggal : Selasa, 26 Maret 2013
Golongan : P3

Dosen : Dr. Prayoga Suryadarma, S.TP, MT.
Asisten :1.Tutus Kuryani F34090007
2.Nizar Zakaria F34090136



PRODUKSI ASAM ORGANIK (ASAM SITRAT) DENGAN KULTIVASI CAIR DAN KULTIVASI SUBSTRAT PADAT


Oleh :
Kelompok 1
M. Wajih Abdul Basit (F34100087)
Aloysius Boris Ronycahya (F34100089)
Suci Enggar Afrianty (F34100091)
Roseiga Retno A. (F34100100)
Hafizah Khaerina (F34100110)
Fatimah Jumiati (F34100111) 



2013
DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR

_________________________________________________

I. PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang

Asam sitrat adalah asam organik yang ditemukan oleh alkimiawan Arab-Yemen yang hidup pada abad ke 8 yang bernama Jabir Ibn Hayyan. Pada zaman pertengahan, banyak ilmuwan Eropa yang membahas sifat asam sari buah lemon dan limau. Asam sitrat pertama kali diisolasi pada tahun 1784 oleh kimiawan Swedia, Carl Wilhelm Scheele, yang mengkristalkannya dari sari buah lemon. Pembuatan asam sitrat skala industri pertama kali dimulai pada tahun 1860, terutama mengandalkan produksi jeruk dari Italia. Pada tahun 1893, C. Wehmer menemukan bahwa kapang Penicillium dapat membentuk asam sitrat dari gula. Sedangkan pada tahun 1917, kimiawan pangan Amerika, James Currie menemukan bahwa galur tertentu kapang Aspergillus niger dapat menghasilkan asam sitrat secara efisien, dan perusahaan kimia Pfizer memulai produksi asam sitrat skala industri dengan cara tersebut. 

Asam sitrat termasuk ke dalam golongan asam organik lemah yang ditemukan pada tumbuhan genus Citrus. Senyawa ini biasa digunakan sebagai pengawet alami, serta penambah rasa asam pada makanan dan minuman ringan. Selain dimanfaatkan dalam industri makanan dan minuman, juga dimanfaatkan dalam farmasi dan tambahan dalam makanan ternak. Zat ini juga dapat digunakan sebagai zat pembersih yang ramah lingkungan dan sebagai antioksidan.

Asam sitrat dapat diproduksi secara kimiawi atau secara fermentasi menggunakan mikroorganisme. Pada proses produksinya, ada beberapa faktor yang mempengaruhi dan terutamanya adalah perlakuan kondisi agar hasil yang diperoleh optimal. Pada praktikum kali ini, akan dilakukan proses produksi asam organik (asam sitrat) dengan kultivasi cair dan substrat padat, sehingga praktikan nantinya akan mengetahui dengan proses yang mana jika ingin memperoleh hasil yang lebih optimal. Selain itu juga praktikan menjadi lebih mengetahui faktor apa yang mempengaruhi serta kondisi seperti apa dalam proses produksi asam sitrat yang sebenarnya. Sehingga, dalam aplikasinya dapat dimanfaatkan untuk produksi dengan skala yang lebih besar dan lebih bermanfaat. 


1.2 Tujuan

Tujuan dari praktikum kali ini adalah untuk mengetahui cara produksi asam sitrat dengan , kultivasi cair dan kultivasi substrat padat dengan memanfaatkan Aspergillus niger , serta mengamati nilai pH, biomassa, gula sisa, dan total asamnya. 

____________________________________________

II. METODOLOGI


2.1 Alat dan Bahan

Alat-alat yang digunakan pada praktikum kali ini antara lain inkubator goyang, penangas, spatula, gelas ukur, neraca analitik, bunsen, lup, korek api, elenmeyer, pipet volumetrik, pH meter, saringan, tabung reaksi, tabung ulir, spektrofotometer, buret, otoklaf, dan corong. Sedangkan bahan-bahan yang dibutuhkan antara lain gula pasir, ekstrak tauge 20% (b/v), (NH4)2SO4, KH2PO4, aquades, Aspergillus niger , kertas saring, pereaksi DNS, NaOH 0,1 N, indikator PP, onggok, dedak halus, alkohol, sumbat kapas, alufo dan KOH. 


2.2 Metode

2.2.1 Kultivasi Cair
2.2.1.1 Inokulasi dan Fermentasi
2.2.1.2 Pengukuran pH
2.2.1.3 Biomassa
2.2.1.4 Gula Sisa (Metode DNS)
2.2.1.5 Total Aam
2.2.2 Kultivasi Padat
2.2.2.1 Inokulasi dan Fermentasi
2.2.2.2 Uji Asam Sitrat

_____________________________________________

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Hasil pengamatan
(terlampir)

3.2 Pembahasan

Asam sitrat merupakan asam organik lemah yang ditemukan pada daun dan buah tumbuhan genus Citrus (jeruk-jerukan). Selain digunakan sebagai penambah rasa asam pada makanan dan minuman ringan, senyawa ini merupakan bahan pengawet yang baik dan alami. Dalam biokimia, asam sitrat dikenal sebagai senyawa antara dalam siklus asam sitrat yang terjadi di dalam mitokondria, yang penting dalam metabolisme makhluk hidup. Zat ini juga dapat digunakan sebagai zat pembersih yang ramah lingkungan dan sebagai antioksidan. Asam sitrat terdapat pada berbagai jenis buah dan sayuran, namun ditemukan pada konsentrasi tinggi, yang dapat mencapai 8% bobot kering, pada jeruk lemon dan limau (misalnya jeruk nipis dan jeruk purut) (Wikipedia 2013). Rumus kimia asam sitrat adalah C6H8O7. Struktur asam ini tercermin pada nama IUPAC-nya, asam 2-hidroksi-1,2,3 propanatrikarboksilat yang ditunjukkan pada gambar 1.

Gambar 1. Rumus kimia Asam Sitrat
(Sumber : Wikipedia 2013) 

Keasaman asam sitrat didapatkan dari tiga gugus karboksil COOH yang dapat melepas proton dalam larutan. Jika hal ini terjadi, ion yang dihasilkan adalah ion sitrat. Sitrat sangat baik digunakan dalam larutan penyangga untuk mengendalikan pH larutan. Ion sitrat dapat bereaksi dengan banyak ion logam membentuk garam sitrat. Selain itu, sitrat dapat mengikat ion-ion logam dengan pengkelatan, sehingga digunakan sebagai pengawet dan penghilang kesadahan air.

Pada temperatur kamar, asam sitrat berbentuk serbuk kristal berwarna putih. Serbuk kristal tersebut dapat berupa bentuk anhydrous (bebas air), atau bentuk monohidrat yang mengandung satu molekul air untuk setiap molekul asam sitrat. Bentuk anhydrous asam sitrat mengkristal dalam air panas, sedangkan bentuk monohidrat didapatkan dari kristalisasi asam sitrat dalam air dingin. Bentuk monohidrat tersebut dapat diubah menjadi bentuk anhydrous dengan pemanasan di atas 74 °C. Secara kimia, asam sitrat bersifat seperti asam karboksilat lainnya. Jika dipanaskan di atas 175 °C, asam sitrat terurai dengan melepaskan karbondioksida dan air (Wikipedia 2013).

Bizri (1994), pertama kali melaporkan produksi asam sitrat sebagai hasil sampingan pada fermentasi produksi asam oksalat dengan menggunakan Penicillium glaucum. Aspergillus niger dapat menghasilkan asam sitrat pada medium pH rendah dengan kadar gula tinggi. Sejak saat itu asam sitrat diproduksi secara komersial dengan menggunakan kapang A. niger.

Kapang A. niger merupakan mikroorganisme yang dapat tumbuh dan banyak digunakan secara komersial dalam produksi asam sitrat, asam glukonat, dan beberapa enzim seperti pektinase dan amilase (Broekhuijsen et al., 1993). A. niger mampu mensintesis asam sitrat dalam medium fermentasi ekstraseluler dengan konsentrasi yang cukup tinggi, jika dibiakkan dalam media yang kadar garamnya rendah dan mengandung gula sebagai sumber karbon.

Produksi asam sitrat pada proses fermentasi dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya adalah jenis media, pH, media, waktu fermentasi, suhu, aerasi, dan mikroorganisme yang digunakan. Faktor yang paling menentukan adalah media tumbuh (substrat) dan mikroorganisme yang digunakan (Mangunwidjaja 1994). Pada umumnya hasil samping pertanian dan perkebunan seperti jerami padi, onggok, bagas, dan kulit kakao masih mengandung lignoselulosa.Limbah ini masih mengandung pati, protein, lemak, dan senyawa kimia ainnya. Dengan teknologi fermentasi, hasil samping ini dapat dimanfaatkan lebih lanjut menjadi produk lain yang berguna seperti pangan, pakan ternak, pelarut organik, asam-asam organik seperti asam sitrat dan lain-lain. 

Aspergillus niger merupakan salah satu spesies yang paling umum dan mudah diidentifikasi dari genus Aspergillus, famili Moniliaceae, ordo Monoliales dan kelas Fungi imperfecti. Aspergillus niger dapat tumbuh dengan cepat, diantaranya digunakan secara komersial dalam produksi asam sitrat, asam glukonat dan pembuatan berapa enzim seperti amilase, pektinase, amiloglukosidase dan sellulase. Aspergillus niger dapat tumbuh pada suhu 35- 37ᵒC (optimum), 6- 8ᵒC (minimum), 45 -47ᵒC (maksimum) dan memerlukan oksigen yang cukup (aerobik). Koloni Aspergillus niger terdiri dari suatu lapisan basal yang kompak berwarna putih hingga kuning dan suatu lapisan konidofor yang lebat yang berwarna coklat tua hingga hitam. Konidia berbentuk bulat hingga semibulat, berwarna coklat, memiliki ornamentasi berupa tonjolan dan duri-duri yang tidak beraturan.

Cara mengisolasi dan mengembangkan A. niger ini haruslah memilih media pertumbuhan yang tepat agar dapat tumbuh dengan baik. Pertumbuhan kapang ini akan mempengaruhi hasil produksi produk yang diinginkan seperti produksi asam sitrat. Faktor- faktor yang sangat menentukan persiapan media antara lain:
1. Kandungan gula. Umumnya konsentrasi gula yang tinggi diperlukan untuk mendapatkan hasil yang banyak. Larutan dengan konsentrasi 14-20% dapat dipergunakan. Substitusi parsial terhadap sukrosa dan fruktosa atau glukosa, yang menghasilkan konsentrasi gula 1-5% (diluar total 14 %) akan menghasilkan asam sitrat yang lebih sedikit bila dibandingkan dengan media yang hanya mengandung sukrosa. Hidrolisa parsial selama sterilisasi juga menurunkan hasil asam sitrat.
2. Garam-garam anorganik, seperti nitrogen, kalium, fosfor, belerang, dan magnesium.
3. Keasaman (pH). Hal ini merupakan faktor yang sangat penting dalam proses fermentasi. Garam-garam anorganik dan pH sangat berpengaruh terhadap proporsi asam sitrat dan oksalat yang dihasilkan. Jadi pH dan garam anorganik harus demikian hingga produksi asam sitrat tinggi dan sebaliknya asam oksalat ditekan serendah mungkin. Penggunaan pH rendah banyak menguntungkan yakni hasil asam sitrat yang tinggi, pembentukan asam oksalat tertekan dan bahaya kontaminasi minimum. Meningkatnya pH menjadi 4.5 selama fase produksi akan menurunkan hasil asam sitrat sampai 80% (Papagianni 1995).
4. Nisbah luas permukaan terhadap volume media. Dalam fermentasi asam sitrat konversi gula menjadi asam sitrat dilakukan oleh enzim-enzim intrasel dan berlangsung dalam sel yang membentuk suatu lapisan miselium. Gula masuk ke dalam sel-sel secara osmosis, sedangkan asam keluar dengan cara difusi. Laju awal proses enzimatik dan difusi akan menentukan beberapa lama fermentasi berlangsung.
5. Suplai oksigen. Suplai oksigen (melalui udara) yang terlalu banyak justru akan menurunkan rendemen. Kadang-kadang justru rendemen akhir fermentasi dengan suplai udara khusus sama saja dengan rendemen akhir fermentasi tanpa suplai udara. Tetapi suplai udara yang terlalu sedikit juga berakibat tidak baik terhadap asam sitrat.
6. Suhu. Suhu yang tepat tergantung pada organisme dan kondisi fermentasi. Biasanya fermentasi dilakukan pada suhu 25 – 35 0C. Jumlah asam sitrat yang dihasilkan akan meningkat seiring dengan peningkatan suhu dari 8 – 28 0C. Di atas 30 0C produksi asam sitrat akan menurun dan produksi asam oksalat justru akan meningkat. Aspergillus niger pada suhu inkubasi menghasilkan kalsium sitrat sebanyak 25 – 30 g dari 200 g molase yang mengalami dua hari fermentasi. selain itu juga dihasilkan kalsium glukonat.

Asam sitrat yang dirasa telah memiliki banyak manfaat ini telah dikembangkan sejak jaman dahulu kala dengan memanfaatkan proses fermentasi yang sederhana. Wehner (1893) pertama kali melaporkan produksi asam sitrat sebagai hasil sampingan pada fermentasi produksi asam oksalat dengan menggunakan Penicillium glaucum. Tahun 1917, juga telah dilaporkan bahwa Aspergillus niger dapat menghasilkan asam sitrat pada medium pH rendah dengan kadar gula tinggi. Sejak saat itu asam sitrat diproduksi secara komersial dengan menggunakan kapang A. niger. 

Dewasa ini telah diketahui banyak jenis kapang yang dapat menghasilkan asam sitrat, seperti A. niger, A. awamori, A. fonsecaeus, A. luchuensis, A. wentii, A. saitoi, A. flavus, A. clavatus, A. fumaricus, A. phoenicus, Mucor viriformis, Ustulina vulgaris, dan lain- lain (Grewal dan Kalra 1995). Selain kapang, beberapa bakteri dan khamir juga dapat memproduksi asam sitrat, diantaranya: Brevibacterium, Corynebacterium, Arthrobacter dan Candida. 

Asam sitrat secara alami terdapat dalam berbagai buah- buahan seperti lemon, jeruk, gooseberry, pear, dan lain- lain. Asam sitrat pertama diisolasi dari jus lemon dan sejak itu diketahui sebagai substansi alami tanaman terutama dalam buah jeruk sehingga asam sitrat hasil ekstraksi dari buah- buahan ini dikenal sebagai asam sitrat alami. Rehman (2003) menyatakan bahwa asam ditrat diperoleh dari buah- buahan diketahui sebagai asam sitrat alami jika dibandingkan dengan yang dihasilkan secara sintetis melalui fermentasi oleh mikroba.

Produksi asam sitrat secara sintetis dapat dilakukan pada media fermentasi padat dan media fermentasi cair. Pada kedua media ini, dibutuhkan gula atau sukrosa sebagai sumber karbon dan bahan baku dalam skala industri karena merupakan bahan baku yang mudah diperoleh dan paling baik. Menurut Kubicek dan Rohr (1989) sukrosa baik untuk dijadikan sebagai sumber glukosa oleh A. niger karena memiliki ikatan intervase mycelium ekstraseluler yang kuat dan aktif pada pH rendah sehingga hidrolisis sukrosa relatif lebih cepat. Pada media fermentasi padat, sumber karbon yang digunakan dalam proses fermentasi selain gula, dapat berupa berbagai hasil pertanian seperti umbi- umbian (singkong atau talas). Selain hasil pertanian, sumber karbon dapat dihasilkan dari limbah pengolahan hasil pertanian, misalnya molases, onggok, dedak pagi atau gandum, limbah pengolahan kopi, dan limbah pengolahan nanas. Pada media fermentasi cair, digunakan ekstrak tauge sebagai sumber karbon karena merupakan karbohidrat, pepton sebagai penyedia mineral, FeSO4 sebagai penyedia zat besi dan belerang, dan NH4NO3 sebagai penyedia nitrogen atau asam amino di dalam pembuatan media tersebut.

Asam sitrat merupakan metabolit primer, terbentuk sebagai senyawa antara selama proses katabolisme melalui siklus Meyerhof-Embedden, siklus pentose dan siklus asam karboksilat. Ada tiga metode yang dapat digunakan untuk proses produksi asam sitrat, yaitu proses ekstraksi sederhana, proses fermentasi, dan proses sintesa secara kimia. Pada proses ekstraksi sederhana, proses atau metode ini dilakukan dengan ekstraksi buah seperti lemon, jeruk dan nanas. Namun proses ini sudah tidak pernah dilakukan lagi seiring dengan pengembangan metode fermentasi proses fermentasi terbagi menjadi dua macam, yaitu surface fermentation (fermentasi permukaan) dan submerged fermentation (fermentasi terendam). Pada proses surface fermentation digunakan kapang Aspergillus niger . Proses fermentasi permukaan ini diterapkan dalam dunia industri sejak tahun 1920-an. Sebelum mengalami proses fermentasi bahan baku diencerkan terlebih dahulu hingga konsentrasi gula 30% dalam mixer. Setelah itu ditambahkan asam sulfat, pospor, potassium dan nitrogen dalam bentuk asam atau garam sebagai nutrient. Campuran ini kemudian disterilkan lalu diencerkan kembali hingga konsentrasi gula mencapai 15% dan selanjutnya difermentasikan.

Proses fermentasi dilakukan didalam tangki-tangki yang terbuat dari alumunium. Inokulum (Aspergillus niger ) disemburkan bersama-sama dengan udara. Waktu inkubasi selama 9 – 11 hari. Lapisan lendir yang terbentuk dipermukaan medium diambil dan diekstraksi, sedangkan cairan hasil fermentasi diberi perlakuan panas dan penambahan kalsium hidroksida (ph 8,5) sehingga dihasilkan kalsium sitrat. Kebutuhan energi untuk surface fermentation tidak banyak karena proses aerasi menggunakan peralatan yang sederhana yaitu berupa kipas yang menghasilkan udara dan digerakkan oleh motor elektrik, energi yang dibutuhkan 1,3 – 2,6 mJ/m3. Berikut ini adalah gambar surface fermentation. 



Gambar 2. Surface Fermentation
(Sumber : Kirk Othmer 1945)

Pada proses submerged fermentation, proses fermentasi ini terbagi dua macam berdasarkan mikroorganisme yang digunakan diantaranya adalah submerged fermentation menggunakan kapang Apergillus niger dan submerged fermentation menggunakan yeast dalam hal ini adalah Candida guilliermondii. Pada proses fermentasi menggunakan kapang, mikroorganisme Aspergillus niger ditumbuhkan dengan mendispersikannya dalam media cair. Bejana fermentasi tersusun atas tangki - tangki steril yang berkapasitas beberapa ratus kubik meter (1000 galon) dengan dilengkapi pengaduk mekanik serta pemasukan sejumlah udara steril. Sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh amelung-perquin, dimana produksi asam sitrat dengan proses biakan celup mempertimbangkan penggunaan phospat yang terbatas. Proses fermentasi asam sitrat terdiri dari dua tahap. Pertama fase pertumbuhan miselium dan kedua fase fermentasi pembentukan produk. Keduanya dikarakteristikkan oleh laju penyerapan karbohidrat. Pada fase pertama digunakan untuk pembentukan miselium dan pada tahap kedua karbohidrat diubah menjadi asam sitrat. 80% produksi asam sitrat dunia menggunakan metode ini.

Dalam skala industri Aspergillus nigeradalah strain yang paling tepat untuk fermentasi, walaupun pada awalnya menghasilkan sedikit yield, namun dalam perkembangan selanjutnya penambahan methanol dalam larutan fermentasi akan menghasilkan yield yang besar. Sampai sekitar tahun 1969 atau 1970, Aspergillus niger dianggap sebagai satu-satunya asam sitrat dalam skala industri. Pada tahun 1970, sebuah inovasi baru yang mendemonstrasikan bahwa produksi asam sitrat dapat dilakukan dengan menggunakan yeast seperti Candida guilliermondii yang mengandung glukosa atau molasses hitam pekat yang ekuivalen dengan sejumlah glukosa. Waktu fermentasi lebih singkat daripada Aspergillus niger . Penggunaan strain candida sangat efektif untuk pembuatan asam sitrat dari hidrokarbon, dimana konversi yang dihasilkan dapat mencapai lebih dari 10%. Secara umum proses submerged fermentation membutuhkan suplai energi yang cukup banyak, karena mencakup proses pengadukan, aerasi, serta pendinginan. Kebutuhan energi berkisar 8–16 mJ/m3 (28,5–57 Btu/gal) (Kirk Othmer 1945). 

Adapun perbandingan proses produksi asam sitrat secara surface fermentation atau submerged fermentation dapat dilihat pada tabel berikut.


Pada proses produksi dengan sintesis kimia, Jalannya reaksi didasarkan pada reaksi antara gliseroldevirat 1,3-dichloroaceton dengan sianida. Secara umum proses ini belum bisa diterima dalam industri kimia. Metode yang dapat digunakan antara lain dengan proses reaksi reformatsky reaksi Wiley, Karboksilasi aseton menggunakan katalis alkali metal phenolate dalam solvent dan epoksidasi itaconate, reaksi dengan sianida dan hidrolisa. 

Faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi asam sitrat adalah pemilihan strain; konsentrasi substrat; dan pengaruh kondisi fermentasi yang meliputi temperatur, derajat keasaman, serta luas permukaan. Pemilihan strain dalam industri fermentasi harus memenuhi syarat-syarat tertentu yaitu murni, unggul, stabil dan bukan patogen. Konsentrasi substrat harus diatur dengan tepat (tidak terlalu tinggi dan tidak terlalu rendah). Substrat akan dirombak oleh mikroorganisme dengan bantuan enzim membentuk asam sitrat. Substrat yang terlalu pekat mengakibatkan naiknya tekanan osmosis. Apabila tekanan osmosis lingkungan lebih tinggi dari sitoplasma, akan mengakibatkan sitoplasma kehilangan air yang selanjutnya isi sel akan mengecil dan struktur sel akan hancur. Substrat yang terlalu encer akan mengakibatkan laju pertumbuhan menjadi lambat (Agustian 2005).

Temperatur sangat berpengaruh terhadap pertumbuhan dan produksi asam sitrat. Agar dihasilkan konsentrasi asam sitrat yang tinggi maka fermentasi harus berlangsung pada temperatur optimal berkisar 25 – 30 oC (Eva Novitasari W. dkk, 2008). Di atas temperatur optimum, kecepatan tumbuh sel akan menurun secara cepat yang berlawanan dengan kenaikan temperatur (Abdullah Shaleh 1995). Temperatur yang terlalu tinggi akan mempengaruhi membran sel mikroorganisme, di mana membran sel akan menjadi cair sehingga sel kehilangan strukturnya. Sedangkan pada temperatur rendah akan menyebabkan membran sel menjadi padat. Hal ini berkaitan dengan struktur membran yang terdiri dari lapisan lemak dan protein yang akan mengeras pada temperatur rendah sehingga proses pemasukan makanan melalui lapisan membran sel tidak terjadi, selanjutnya dapat menyebabkan kematian dari sel mikroorganisme tersebut (Agustian 2005).

Kandungan gula juga merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi pembentukan asam sitrat. Berdasarkan penelitian, 15-25% larutan gula dapat diubah secara fermentasi (Narayana dkk 2006). Pembentukan asam sitrat dapat dilakukan dari bahan-bahan yang mengandung gula seperti : pati, kentang, hidrolisat pati, sirup glukosa, sukrosa, sirup gula tebu, dimana 2/3 kandungan sukrosa telah berubah menjadi gula invers. Berdasarkan penelitian, produksi asam sitrat maksimum biasanya dicapai pada konsentrasi gula 14-22% (b/v). Sumber karbon yang digunakan juga berpengaruh pada aktivitas mikroba.

Pengaturan pH penting bagi keberhasilan proses fermentasi. Untuk fermentasi asam sitrat pH optimum adalah 3, sedangkan pH optimum untuk pertumbuhan Aspergillus niger adalah 2,5 – 3,5. Penurunan pH menyebabkan produksi asam sitrat berkurang. Hal ini disebabkan pada pH rendah ion ferosinida lebih toksik bagi pertumbuhan miselium. Pada pH yang tinggi terjadi akumulasi asam oksalat (Laboratorium Bioindustri TIP, FTP, Unbraw, 2008).

Pada metode fermentasi permukaan, faktor luas permukaan juga harus diperhatikan. Karena proses fermentasi hanya berlangsung pada permukaan bidang media, maka untuk mendapatkan hasil yang maksimal, luas permukaan diusahakan seluas mungkin dengan memperkecil ketebalan cairan (pada media cair) atau memperkecil ukuran partikel pada media padat (Schlegel 1986). Parameter lain yang menentukan produksi asam sitrat maksimum adalah adanya oksigen. Oleh karena itu proses aerasi saat fermentasi harus dikontrol untuk dapat menghasilkan rendemen asam sitrat yang maksimum. kadar oksigen harus antara 20-25%, dengan laju aerasi 0,2-1 vvm. Sedangkan untuk pengadukan, karena viskositas larutan tidak tinggi dan kultivasi yang dilakukan juga pada skala kecil, maka tidak perlu dilakukan pengadukan yang terus menerus dan hanya dibantu dengan shaker saja agar oksigen yang berada diatas permukaan substrat dapat tercampur merata ke substrat sehingga aliran oksigen merata. 

Mekanisme pembentukan asam sitrat seperti dinyatakan dengan siklus Krebs atau siklus asam trikarboksilat, yaitu bahwa asam piruvat yang diperoleh dari glukosa menghasilkan Acetil CoA yang berkondensasi dengan asam oxalo-asetat yang telah terbentuk dalam siklus menghasilkan asam sitrat. Pada Aspergillus niger fosfoenol piruvat dapat diubah langsung menjadi oksaloasetat (tanpa melalui piruvat) oleh enzim fosfenol piruvat karboksilase. Reaksi tersebut membutuhkan ATP sebagai sumber energi, Mg2+ atau Mn2+ dan K+ atau NH4+.

Apabila sumber karbon bukan glukosa, tapi misalnya asam asetat atau senyawa alifatik berantai panjang (C-9, C-23), maka isositrat liase terinduksi sehingga siositrat diubah menjadi malat oleh malat oleh malat sintesa. Rangkaian reaksi melalui glioksilat. Bila glukosa ditambahkan glukosa, siklus tersebut terhambat. Diduga bahwa terjadinya akumulasi asam sitrat ini adalah sebagai akibat dari adanya kekurangan enzim disebabkan kurangnya unsur-unsur nutrisi seperti nitrogen, fosfat, mangan, besi dan seng. Apabila kadar logamnya tinggi, maka untuk mengurainya biasanya tetesnya mengalami pengolahan pendahuluan terlebih dahulu, yaitu dengan penambahan Kalium ferrosianida atau dengan cara pertukaran ion (Ibrahim 2011).

Praktikum kali ini adalah produksi asam organik (asam sitrat sintesis) melalui proses fermentasi oleh mikroba Aspergillus niger . Produksi asam sitrat secara sintetis dapat dilakukan pada dua media yang berbeda, yaitu produksi asam sitrat dengan kultivasi cair dan produksi asam sitrat dengan kultivasi media padat. Pada media kultivasi cair substrat yang digunakan adalah ekstrak tauge 20 % b/v sebagai media propagasi. Ekstrak tauge tersebut selanjutnya dicampurkan dengan (NH4)2SO4 dan KH2PO4sebagai sumber nitrogen dan sumber mineral. Sedangkan gula pasir digunakan sebagai sumber karbon bagi mikroba. Media propagasi selanjutnya diinokulasi dengan mikroba Aspergillus nigersehingga akan didapatkan inokulum yang selanjutnya inokulum difermentasikan pada media fermentasi. pH dari media fermentasi harus diatur mendekati netral yaitu sekitar 6. Hal ini dilakukan untuk mengoptimalkan jalannya proses fermentasi. 

Pada praktikum ini, diperoleh hasil bahwa nilai pH semakin menurun dari pH yang semula mendekati netral menjadi asam. Berdasarkan hasil praktikum diketahui bahwa pada kelompok 1 dimana perlakuannya adalah 1 hari menunjukan nilai pH 4, kelompok 3 nilai pH 2,5 kemudian kelompok 4 nilai pH nya 2. Penurunan pH mengindikasikan pembentukan produk asam sitrat. pH yang semakin menurun menunjukan bahwa jumlah total produk asam sitrat yang terbentuk semakin meningkat. Berdasarkan perhitungan total asam, seperti pada pH menunjukan peningkatan sesuai dengan lamanya fermentasi. Hal itu sesuai dengan literatur, yaitu semakin lama waktu fermentasi semakin banyak produk yang terbentuk sehingga pH akan semakin asam. Pada hari ke-1 didapatkan data nilai total asamnya adalah 44,16 mg/ml, pada kelompok 2 dimana dilakukan selama 3 hari nilai total asamnya adalah 178,2 mg/ml, kelompok 4 dengan nilai total asamnya 192 mg/ml dan kelompok 5 dengan lama fermentasi adalah 5,sampai pada hari ke-4, kemudian pada hari kelima nilai total asamnya menunjukan penurunan yang diikuti peningkatan pH yaitu menghasilkan nilai pH 3. Penurunan nilai total asam tersebut menunjukan indikasi penurunan aktivitas mikroba dalam memproduksi asam sitrat. Hal ini dikarenakan kemampuan mikroba untuk menghasilkan produk telah terhenti karena mikroba telah berada pada fase stasioner atau fase kematian. Hal tersebut disebabkan sumber nutrisi dari media fermentasi telah dikonversi seluruhnya oleh mikroba dalam pembentukan produk maupun penambahan jumlah biomassanya.

Sama seperti pada media kultivasi cair, kultivasi pada substrat padat juga menunjukan bahwa semakin lama waktu fermentasi semakin tinggi juga produk asam sitrat yang terbentuk. Hal tersebut dibuktikan dengan peningkatan kandungan total asam dan penurunan nilai pH. Data yang diperoleh dari kelompok 1 sampai 5 secara berturut-turut adalah 15,36; 34,56; 15, 36 dan 92,16. Berdasarkan data tersebut dapat dilihat bahwa peningkatan nilai total asam terjadi signifikan, kecuali pada kelompok tiga yang justru menunjukan adanya penurunan. Hal tersebut telah sesuai dengan literature bahwa produksi asam sitrat akan terus meningkat sampai nutrisi yang terkandung dalam media habis. Jika nutrisi yang terkandung dalam media habis maka mikroba akan menghentikan fase eksponensialnya dan akan berubah menjadi fase stasioner kemudian fase kematian. Oleh karena itu asam sitrat harus dipanen ketika hasil yang didapatkan sedangkan tinggi. 

Pada proses fermentasi, proses yang berlangsung diharapkan berjalan efisien. Proses dikatakan efisien apabila dapat dihasilkan rendemen produk yang tinggi dalam waktu fermentasi yang singkat. Hal ini dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya yaitu penambahan nutrisi dalam media fermentasi. Semakin tinggi konsentrasi nutrisi dalam media yang digunakan maka akan didapatkan konsentrasi atau rendemen produk yang tinggi. Sementara itu semakin lama waktu fermentasi yang berlangsung, maka kadar nutrisi yang terkandung dalam media akan semakin habis. 

Pada praktikum kali ini, juga dilakukan pengamatan terhadap konsentrasi kadar gula pada media fermentasi dengan waktu yang berbeda. Berdasarkan data hasil praktikum, menunujukan bahwa kelompok 1 sampai 5 mengalami penurunan konsentrasi kadar gula sisa yaitu 86; 79,5 ; 69 ; 76; 73. Hal ini sesuai dengan literatur bahwa semakin lama waktu fermentasi, maka kadar gula sisa yang ada dalam media akan semakin menurun. Namun data menunjukan adanya perbedaan pada kelompok empat, dimana data dari kelompok tersebut justru kadar gula sisanya semakin naik. Sementara pada kelompok 5 data kembali normal yaitu mengalami penurunan. Data kelompok 4 yang mengalami peningkatan tidak sesuai dengan literatur. Hal ini kemungkinan disebabkan karena adanya perlakuan yang tidak aseptis sehingga terdapat mikroba lain yang dapat mengganggu jalannya fermentasi produksi asam sitrat. Penurunan konsentrasi kadar gula sisa ini disebabkan oleh gula pasir sebagai sumber karbon dikonsumsi oleh sel mikroba, sehingga semakin lama konsentrasinya menurun. Sel mengkonsumsi gula melalui mekanisme hidrolisis invertasi, sehingga jenis gula yang digunakan juga akan mempengaruhi proses invertase sel terhadap gula. Menurut Boddy et al (1993), jenis gula yang baik karena memiliki ikatan invertase miselium yang kuat yaitu dari jenis sukrosa. Jenis gula ini mampu aktif pada pH rendah sehingga hidrolisis akan dapat lebih cepat berjalan.

Pada proses fermentasi yang menghasilkan produk asam sitrat ini, sel Aspergillus niger juga ikut mengalami pertumbuhan atau penggandaan diri sehinggabiomassanya juga mengalami peningkatan jumlah. Pertumbuhan biomassa mengikuti pertumbuhan sel, yaitu didasarkan pada fase atau tahapan yang dilalui sel dalam kelangsungan hidupnya yang meliputi empat tahapan yaitu fase lag, fase eksponensial, fase stasioner, dan fase kematian. Semakin banyak jumlah sel yang terbentuk maka jumlah biomassa yang dihasilkan juga akan semakin tinggi.

Menurut Kubicek dan Rohr (1989) , pertumbuhan sel tercepat yaitu ketika berada pada fase eksponensial, selanjutnya akan menurun pada fase stationer dan fase kematian. Berdasarkan data hasil praktikum pembentukan biomassa terbanyak yaitu pada kelompok 4 dengan lama hari yaitu 4 hari. Hal ini menunjukan bahwa produktifitas sel terbanyak yakni terjadi pada hari ke empat, kemudian mengalami penurunan yang diakibatkan kandungan nutrisi dari media menipis. Berdasarkan data yang diperoleh dari hasil praktikum nilai biomassa semakin hari akan semakin naik, kemudian akan mencapai titik optimu pertumbuhan dan kemudian nilai biomassa akan turun. Data dari praktikum menunjukan hasil yang sesuai literature. Pada kelompok 1 nilai biomassa yang dihasilkan yaitu 0,3322 gr, kelompok 2 menghasilkan biomassa 0,44 gram, kelompok 3 menghasilkan biomassa sebesar 0,788 gram, kelompok 4 menghasilkan 1,379 gram dan kelompok 5 menghasilkan biomassa sebesar 0,9 gram. Pertumbuhan biomassa dan pembentukan asam sitrat dipegaruhi oleh kandungan media yang digunakan yaitu efek makronutrien dan trace element. Jumlah inokulum optimum untuk produksi asam sitrat dan biomassa adalah 10% .

Berdasarkan data yang telah diregresikan didapatkan berbagai nilai koefisien yang meliputi koefisien Yp/x, koefisien Yp/s, dan koefisien Yx/s. koefisien Yp/x menunjukan bahwa dalam 1gram biomassa akan terbentuk berapa produk asam sitrat. Berdasarkan kurva yang diregresikan didapatkan nilai koefisien Yp/x yaitu - 0,357 mg asam sitrat/gram biomassa. Berdasarkan data tersebut dapat diketahui bahwa setiap penambahan biomassa yang dihasilkan sebesar 1 gram akan terjadi penurunan jumlah asam sitrat yang dihasilkan sebesar 0,357 mg. Data tersebut telah sesuai dengan literatur yang mengatakan bahwa semakin tinggi jumlah biomassa yang dihasilkan maka akan menurunkan jumlah asam sitrat yang dihasilkan. Oleh karena produksi biomassa dalam pembuatan asam sitrat harus dibatasi sehingga akan didapatkan nilai rendemen yang tinggi (Kubicek dan Rohr 1989). Selanjutnya yaitu koefisien Yp/s yang menunjukan perbandingan antara produk yang dihasilkan dengan asam sitrat yang terbentuk. Berdasrkan data hasil praktikum nilai koefisien Yp/s yaitu sebesar 1,684 mg/ ppm. Hal ini menunjukan bahwa dalam 1 ppm glukosa akan didapatkan prosuk asam sitrat sebesar 1, 684 mg. berdasarkan literature telah dijelaskan bahwa semakin tinggi konsentrasi nutrisi maka jumlah asam sitrat yang didapatkan juga akan semakin tinggi. Selanjutnya yaitu koefisien Yx/s yang menunjukan perbandingan antara nilai biomassa dengan konsentrasi media yang digunakan. Data dari hasil praktikum menunjukan nilai koefisien Yx/s yaitu 0, 209 gram/ppm. Data ini menunjukan bahwa dalam konsentrasi gula sebesar 1 ppm akan didapatkan jumlah biomassa sebesar 0,209 gram. Berdasarkan data yang diperoleh diketahui bahwa laju pertumbuhan maksimum yautu sebesar 9, 2 gram /jam. 

Aplikasi asam sitrat banyak digunakan dalam industri khususnya industri pangan. Asam sitrat merupakan salah satu asam organik, dari latar belakang tersebut asam sitrat sering digunakan dalam industri makanan dan minuman (60 % dari total produksi), seperti berfungsi sebagai pemberi rasa asam, antioksidan, dan pengemulsi. Selain itu, flavor sari buah, ekstrak sari buah, es krim, marmalade diperkuat dan diawetkan dengan menggunakan asam sitrat. Aplikasi asam sitrat selain untuk pangan, digunakan juga dalam industri farmasi, kosmetik, dan detergent. Dalam industri farmasi (10% dari total produksi), digunakan sebagai bahan pengawet dalam penimpanan darah atau sebagai sumebr zat besi dalam bentuk Feri–sitrat. Dalam industri kimia (25 % dari total produksi), digunakan sebagai anti buih, bahan pelunak, campuran warna tekstil, dan campuran deterjen (Rahman 1992).

________________________________________

IV. PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Asam sitrat merupakan asam organik lemah yang ditemukan pada daun dan buah tumbuhan. Zat ini juga dapat digunakan sebagai zat pembersih yang ramah lingkungan dan sebagai antioksidan. Rumus kimia asam sitrat adalah C6H8O7 dan nama IUPAC-nya, asam 2-hidroksi-1,2,3-propanatrikarboksilat.

Kapang Aspergillus niger merupakan mikroorganisme yang dapat tumbuh dan banyak digunakan secara komersial dalam produksi asam sitrat, asam glukonat, dan beberapa enzim seperti pektinase dan amilase.Produksi asam sitrat pada proses fermentasi dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya adalah jenis media, pH, media, waktu fermentasi, suhu, aerasi, dan mikroorganisme yang digunakan. 

Aspergillus niger merupakan salah satu spesies yang paling umum dan mudah diidentifikasi dari genus Aspergillus, famili Moniliaceae, ordo Monoliales dan kelas Fungi imperfecti. Aspergillus niger dapat tumbuh pada suhu 35- 37ᵒC (optimum), 6- 8ᵒC (minimum), 45 -47ᵒC (maksimum) dan memerlukan oksigen yang cukup (aerobik). Faktor- faktor yang sangat menentukan persiapan media antara lain kandungan gula, garam-garam anorganik, keasaman (pH), nisbah luas permukaan terhadap volume media, suplai oksigen, dan suhu. Jenis-jenis kapang, bakteri, dan khamir yang dapat menghasilkan asam sitrat, antara lain A. niger, A. awamori, A. fonsecaeus, A. luchuensis, A. wentii, A. saitoi, A. flavus, A. clavatus, A. fumaricus, A. phoenicus, Mucor viriformis, Ustulina vulgaris, Brevibacterium, Corynebacterium, Arthrobacter dan Candida. 

Asam sitrat secara alami terdapat dalam berbagai buah- buahan seperti lemon, jeruk, gooseberry, pear, dan lain- lain. Produksi asam sitrat secara sintetis dapat dilakukan pada media fermentasi padat dan media fermentasi cair. Pada kedua media ini, dibutuhkan gula atau sukrosa sebagai sumber karbon dan bahan baku dalam skala industri karena merupakan bahan baku yang mudah diperoleh dan paling baik. 

Terdapat tiga metode yang dapat digunakan untuk proses produksi asam sitrat, yaitu proses ekstraksi sederhana, proses fermentasi, dan proses sintesa secara kimia. Proses fermentasi terbagi menjadi dua macam, yaitu surface fermentation (fermentasi permukaan) dan submerged fermentation (fermentasi terendam). Pada proses surface fermentation digunakan kapang Aspergillus niger . Proses fermentasi ini dilakukan di dalam tangki-tangki yang terbuat dari alumunium. Kebutuhan energi untuk surface fermentation tidak banyak karena proses aerasi menggunakan peralatan yang sederhana. Pada proses submerged fermentation, proses fermentasi ini terbagi dua macam berdasarkan mikroorganisme yang digunakan diantaranya adalah submerged fermentation menggunakan kapang Apergillus niger dan submerged fermentation menggunakan yeast dalam hal ini adalah Candida guilliermondii. 

Faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi asam sitrat adalah pemilihan strain, konsentrasi substrat, dan pengaruh kondisi fermentasi yang meliputi temperatur, derajat keasaman, serta luas permukaan. Pemilihan strain dalam industri fermentasi harus memenuhi syarat-syarat tertentu yaitu murni, unggul, stabil dan bukan patogen. Fermentasi harus berlangsung pada temperatur optimal berkisar 25 – 30 oC.Larutan gula 15-25% dapat diubah secara fermentasi. Untuk fermentasi asam sitrat pH optimum adalah 3, sedangkan pH optimum untuk pertumbuhan Aspergillus niger adalah 2,5–3,5. Proses fermentasi hanya berlangsung pada permukaan bidang media, maka untuk mendapatkan hasil yang maksimal, luas permukaan diusahakan seluas mungkin dengan memperkecil ketebalan cairan (pada media cair) atau memperkecil ukuran partikel pada media padat.

Mekanisme pembentukan asam sitrat seperti dinyatakan dengan siklus Krebs atau siklus asam trikarboksilat, yaitu bahwa asam piruvat yang diperoleh dari glukosa menghasilkan Acetil CoA yang berkondensasi dengan asam oxalo-asetat yang telah terbentuk dalam siklus menghasilkan asam sitrat.

Nilai pH dari media fermentasi harus diatur mendekati netral yaitu sekitar 6 agar proses fermentasi berjalan secara optimal. pH yang semakin menurun menunjukan bahwa jumlah total produk asam sitrat yang terbentuk semakin meningkat. Semakin lama waktu fermentasi semakin banyak produk yang terbentuk sehingga pH akan semakin asam. Penurunan nilai total asam tersebut menunjukan indikasi penurunan aktivitas mikroba dalam memproduksi asam sitrat. Sama seperti pada media kultivasi cair, kultivasi pada substrat padat juga menunjukan bahwa semakin lama waktu fermentasi semakin tinggi juga produk asam sitrat yang terbentuk. Hal tersebut dibuktikan dengan peningkatan kandungan total asam dan penurunan nilai pH. 

Produksi asam sitrat akan terus meningkat sampai nutrisi yang terkandung dalam media habis. Jika nutrisi yang terkandung dalam media habis maka mikroba akan menghentikan fase eksponensialnya dan akan berubah menjadi fase stasioner kemudian fase kematian. Semakin tinggi konsentrasi nutrisi dalam media yang digunakan maka akan didapatkan konsentrasi atau rendemen produk yang tinggi. Sementara itu semakin lama waktu fermentasi yang berlangsung, maka kadar nutrisi yang terkandung dalam media akan semakin habis dan kadar gula sisa yang ada dalam media akan semakin menurun. Perlakuan yang tidak aseptis dapat mengganggu jalannya fermentasi produksi asam sitrat. 

Semakin tinggi jumlah biomassa yang dihasilkan maka akan menurunkan jumlah asam sitrat yang dihasilkan. Semakin tinggi konsentrasi nutrisi maka jumlah asam sitrat yang diperoleh juga akan semakin tinggi. Aplikasi asam sitrat selain untuk pangan, digunakan juga dalam industri farmasi dan kimia.


4.2 Saran

Pada saat praktikum, terutama saat inokulasi seharusnya praktikan benar-benar dalam kondisi yang steril agar diperoleh hasil yang dikehendaki. Sebaiknya untuk praktikum selanjutnya penggunaan alat dan bahan juga lebih diperhatikan kembali agar praktikum berjalan lebih lancar. 

________________________________________

DAFTAR PUSTAKA

Agustian, Joni (2005). Microbiology, Universitas Lampung, Bandar Lampung.

Bizri, N.J. dan A.L. Wahem. 1994. Citric Acid and Antimicrobials Affect Microbiological Stability and Quality of Tomato Juice. England: Food of Science Press.

Boddy L.M., T. Berges, C. Barreau, M.H. Vainstain, M.J. Johnson dan D.J. Balance. 1993. Purification and characterisation of an Aspergillus niger invertase and its DNA sequence. Curr Genet 24: 60–6.

Broekhuijsen M.P, I.E Mattern, R. Contreras, dan J.R. Kinghorn. 1993. Secretion of Heterologons Protein by Aspergillus niger . Carolina: Biotech.

Eva Novitasari, dkk. (2008).Pembuatan Etanol Dari Sari Kulit Nenas, Laboratorium Bioindustri TIP-FTP UNIBRAW. http://bioindustri.blogspot.com/2008/05/pembuatan-etanol-dari-sari-kulit-nenas.html. (diakses pada 6 April 2013)

Grewal, H.S. dan K.L. Kalra.1995. Fungal Production ofCitric Acid. Biotechnol. Adv.13 (2) : 209-234.Ishaq, A., S. Ali, I. Haq dan M.A.Qadeer. 2002. Time CourseProfile of Citric AcidFermentation by Aspergillus niger and Its Kinetic Relations.J. Biol. Sci. 2 (11) : 760-761.

Ibrahim. 2011.Produksi Asam Sitrat oleh Aspergillus niger L-51. http://hermanibrahim.blogspot.com/2010/11/produksi-asam-sitrat-oleh-aspergillus.html. (diakses pada 6 April 2013)

Kirk - Othmer. 1945. Encyclopedia ofChemichal Technology, Third edition, John Wiley and Sons,INC, New York

Kubicek C.P dan M. Rohr. 1989. Citric Acid Fermentation. Crit Rev Biotechnol 4: 331- 73.

Laboratorium Bioindustri TIP, FTP, Unbraw (2007), Fermentasi Asam Sitrat.http://www.mediakomunikasipermicabangmalang/asam sitrat.com. (diakses pada 6 April 2013)

Mangunwidjaja D. dan A. Suryani. 1994. Teknologi Bioproses. Jakarta: Penebar Swadaya.

Narayana, Kishore, Reddy, 2006, Biokinetic Studies on Citric Acid Production Using Aspergillus niger in Batch Fermentor, Indian Chemical Engineer, Vol. 4 No.4, hal 217 – 229.

Papagianni, M. 1995. Morphology and citric acid production of Aspergillus niger in submerged culture. PhD Thesis, University og Strathclyde.

Rahman. 1992. Produksi Metabolit Primer. Penerbit ARCAN. Jakarta.

Rehman, A., S. Ali dan I. Haq.2003. Phospate Limitation for Enhanced Citric Acid Fermentation Using Aspergillus niger Mutant Uv-M9 on Semi-pilot Scale.Pakistan J. Biol. Sci. 6 (14) :1247-1249.

Schlegel, G. Hans (1986) Mikrobiologi Umum, UGM Press, Yogyakarta.

Wehner. 1893. Petunjuk Praktikum Bioteknologi Mikrobia. Bogor: FMIPA, IPB.


Wikipedia. 2013. Asam Sitrat. http://id.wikipedia.org/wiki/Asam_sitrat(diakses pada 5 April 2013)

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar