Optimasi produksi Bioetanol dari limbah kulit kopi melalui Hidrolisis Enzimatik oleh: (Aspergillus niger) dan Fermentasi oleh (Saccharomyces cerevisiae)

ABSTRAK

Kulit kopi merupakan limbah lignoselulosa yang melimpah dan berpotensi dimanfaatkan sebagai bahan baku bioetanol. Namun, tingginya kandungan lignin pada kulit kopi menjadi faktor penghambat utama dalam proses konversi selulosa menjadi gula fermentabel. Oleh karena itu, diperlukan tahap pretreatment untuk menurunkan kadar lignin serta meningkatkan aksesibilitas enzim terhadap selulosa. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh pretreatment NaOH 10% terhadap perubahan komposisi lignoselulosa kulit kopi dan mengevaluasi efektivitas hidrolisis enzimatik oleh Aspergillus niger serta fermentasi oleh Saccharomyces cerevisiae dalam meningkatkan kadar gula reduksi dan optimasi produksi bioetanol. Penelitian ini merupakan penelitian eksperimental yang dilaksanakan pada bulan September–November 2025 di Laboratorium Mikrobiologi UIN Maulana Malik Ibrahim Malang, dengan pengambilan sampel kulit kopi yang dilakukan di Desa Semende, Kabupaten Muara Enim. Penelitian dilakukan menggunakan Rancangan Acak Lengkap (RAL). Tahapan penelitian meliputi pretreatment alkali menggunakan NaOH 10% sebagai proses delignifikasi, hidrolisis enzimatik menggunakan enzim selulase dari Aspergillus niger, serta fermentasi menggunakan Saccharomyces cerevisiae. Parameter yang diamati meliputi komposisi lignoselulosa yang dianalisis menggunakan metode Chesson–Datta, kadar gula reduksi dengan metode DNS, serta kadar bioetanol yang dianalisis menggunakan GC-FID. Perbedaan antara nilai sebelum dan sesudah perlakuan dianalisis menggunakan uji t berpasangan (paired sample t-test) pada taraf signifikansi 5%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pretreatment NaOH 10% secara signifikan menurunkan kadar lignin dari 43,51 ± 0,62% menjadi 26,95 ± 1,72% (p<0,05), sehingga meningkatkan keterbukaan struktur lignoselulosa dan aksesibilitas selulosa. Kandungan selulosa tidak mengalami perubahan signifikan, sedangkan peningkatan fraksi hemiselulosa bersifat relatif sebagai akibat dari penurunan proporsi lignin. Penurunan lignin tersebut berdampak positif terhadap proses hidrolisis enzimatik, yang ditunjukkan oleh peningkatan kadar gula reduksi dengan nilai tertinggi sebesar 3,58 mg/L pada waktu hidrolisis 48 jam setelah pretreatment. Selanjutnya, hasil fermentasi menunjukkan bahwa kombinasi pretreatment NaOH 10% dan hidrolisis selama 48 jam menghasilkan konsentrasi bioetanol tertinggi sebesar 0,281% (v/v).

ABSTRACT

Coffee husk is an abundant lignocellulosic waste and has the potential to be used as a raw material for bioethanol. However, the high lignin content in coffee husk is a major inhibiting factor in the process of converting cellulose into fermentable sugars. Therefore, a pretreatment stage is needed to reduce lignin levels and increase enzyme accessibility to cellulose. This study aims to analyze the effect of 10% NaOH pretreatment on changes in the lignocellulose composition of coffee husks and activate the effectiveness of enzymatic hydrolysis by Aspergillus niger and fermentation by Saccharomyces cerevisiae in increasing the sugar reduction content and optimizing bioethanol production. This research is an experimental study conducted in September–November 2025 at the Microbiology Laboratory of UIN Maulana Malik Ibrahim Malang, with coffee husk samples taken in Semende Village, Muara Enim Regency. The study was conducted using a Completely Randomized Design (CRD). The research stages included alkali pretreatment using 10% NaOH as a delignification process, enzymatic hydrolysis using cellulase enzymes from Aspergillus niger, and fermentation using Saccharomyces cerevisiae. The parameters observed included lignocellulose composition analyzed using the Chesson–Datta method, reducing sugar content using the DNS method, and bioethanol content analyzed using GC-FID. Differences between pre- and post-treatment values were analyzed using a paired sample t-test at a significance level of 5%. The results showed that 10% NaOH pretreatment significantly reduced lignin content from 43.51 ± 0.62% to 26.95 ± 1.72% (p<0.05), thereby increasing the openness of the lignocellulose structure and cellulose accessibility. Cellulose content did not experience significant changes, while the increase in hemicellulose fraction was relative as a result of the decrease in the proportion of lignin. The reduction in lignin had a positive impact on the enzymatic hydrolysis process, as indicated by an increase in reducing sugar levels with the highest value of 3.58 mg/L at 48 hours of hydrolysis after pretreatment. Furthermore, fermentation results showed that the combination of 10% NaOH pretreatment and 48 hours of hydrolysis produced the highest bioethanol concentration of 0.281% (v/v).

مستخلص البحث

يُعدّ قشر القهوة من المخلفات اللجنوسليلوزية الوفيرة التي تمتلك إمكانات كبيرة للاستخدام كمادة خام لإنتاج البيوإيثانول. غير أنّ الارتفاع النسبي في محتوى اللِّجنين في قشر القهوة يُعدّ عاملًا مُعيقًا رئيسيًا في عملية تحويل السليلوز إلى سكريات قابلة للتخمير. لذلك، تبرز الحاجة إلى مرحلة المعالجة المسبقة (Pretreatment) بهدف خفض محتوى اللجنين وزيادة إتاحة السليلوز أمام عمل الإنزيمات. هدفت هذه الدراسة إلى تحليل تأثير المعالجة المسبقة باستخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بتركيز 10% على التغيرات في التركيب اللجنوسليلوزي لقشر القهوة، إضافةً إلى تقييم كفاءة التحلّل الإنزيمي بواسطة Aspergillus niger والتخمير باستخدام Saccharomyces cerevisiae في زيادة تركيز السكريات المختزلة وتحسين إنتاج البيوإيثانول. أُجريت هذه الدراسة على شكل بحث تجريبي خلال الفترة من سبتمبر إلى نوفمبر 2025 في مختبر الأحياء الدقيقة بجامعة مولانا مالك إبراهيم الإسلامية الحكومية – مالانغ، في حين جُمعت عينات قشر القهوة من قرية سيميندي، مقاطعة موارا إنيم. نُفِّذت التجربة وفق تصميم عشوائي كامل (RAL). وشملت مراحل البحث: المعالجة المسبقة القلوية باستخدام NaOH بتركيز 10% كعملية لإزالة اللجنين، ثم التحلّل الإنزيمي باستخدام إنزيم السليولاز المنتج من Aspergillus niger، وأخيرًا التخمير باستخدام Saccharomyces cerevisiae. تمثّلت المتغيرات المقاسة في التركيب اللجنوسليلوزي الذي جرى تحليله باستخدام طريقة تشيسون–داتا (Chesson–Datta)، وتركيز السكريات المختزلة باستخدام طريقة DNS، إضافةً إلى تحديد تركيز البيوإيثانول بواسطة جهاز GC-FID. جرى تحليل الفروق بين القيم قبل المعالجة وبعدها باستخدام اختبار (t) للعينات المترابطة (Paired Sample t-Test) عند مستوى دلالة إحصائية قدره 5%. أظهرت نتائج الدراسة أن المعالجة المسبقة باستخدام NaOH بتركيز 10% أدّت إلى انخفاض معنوي في محتوى اللجنين من ‎%43.51 ± 0.62 إلى ‎%26.95 ± 1.72 (p<0.05)، مما أسهم في زيادة انفتاح البنية اللجنوسليلوزية وتحسين إتاحة السليلوز. ولم يُلاحظ تغير معنوي في محتوى السليلوز، في حين بدا ارتفاع نسبة الهيميسليلوز ارتفاعًا نسبيًا نتيجة لانخفاض نسبة اللجنين. وقد انعكس هذا الانخفاض في محتوى اللجنين إيجابًا على عملية التحلّل الإنزيمي، حيث سُجِّل أعلى تركيز للسكريات المختزلة بقيمة 3.58 ملغم/لتر عند زمن تحلّل إنزيمي قدره 48 ساعة بعد المعالجة المسبقة. كما أظهرت نتائج التخمير أن الجمع بين المعالجة المسبقة باستخدام NaOH بتركيز 10% والتحلّل الإنزيمي لمدة 48 ساعة أدّى إلى تحقيق أعلى تركيز للبيوإيثانول بلغ 0.281% (V/V).