Pembuatan Monosodium glutamate - Fermentasi

Monosodium glutamate atau MSG merupakan salah satu produk pangan hasil fermentasi. Bahan baku pembuatan MSG antara lain tetes tebu (cane molasses), beet molasses, raw sugar, dan umbi-umbian seperti singkong. Pada umumnya bahan baku pembuatan MSG adalah bahan yang kaya gula karena gula tersebut yang akan dijadikan substrat bagi bakteri selama fermentasi untuk menghasilkan asam glutamat. Di Indonesia, sebagian besar produksi MSG menggunakan bahan baku tetes tebu yang merupakan produk samping pabrik gula. Selain tetes tebu, umumnya pabrik MSG mengkombinasikan dengan sumber gula lain karena gula dari tetes tebu masih kurang mencukupi untuk pertumbuhan bakteri. Sumber gula lainnya seperti raw sugar atau beet molasses.

Tetes tebu berwana coklat kehitaman seperti kecap, memiliki bau khas gula, dan viskositasnya tinggi.  Selain mengandung gula, tetes tebu juga mengandung komponen lain yang diberfungsi untuk pertumbuhan bakteri. Salah satu komponen pentingnya adalah biotin atau vitamin B7.

Tabel 1. Komposisi kimia cane molasses dan beet molasses

Komponen	Cane molasses	Beet molasses
Brix	79.5	79.5
Total padatan (%)	75.0	77.0
Specific gravity	1.41	0.41
Gula total (%)	46.0	48.0
Protein kasar (%)	3.0	6.0
Nitrogen free extract (%)	63.0	62.0
Lemak total (%)	0.0	0.0
Serat total (%)	0.0	0.0
Abu (%)	8.1	8.7
Kalsium (%)	0.8	0.2
Fosfor (%)	0.08	0.03
Potassium (%)	2.4	4.7
Natrium (%)	0.2	1.0
Klor (%)	1.4	0.9
Sulfur (%)	0.5	0.5
Vitamin :    Biotin (mg/kg)    Cholin (mg/kg)    Pantothenic acid (mg/kg)    Riboflavin (mg/kg)    Thiamin (mg/kg)	0.36 745.0 21.0 1.8 0.9	0.46 716.0 7.0 1.4 -

            Sumber : Curtin, 1983

Proses produksi MSG secara umum terdiri dari 3 tahapan utama yaitu fermentasi, recovery, dan refinery. Proses produksi MSG dalam tulisan ini mengacu pada produksi MSG di PT Miwon Indonesia karena kebetulan tahun 2013 lalu saya berkesempatan kerja praktek di sana. Sebelumnya dilakukan fermentasi, tetes tebu mengalami beberapa treatment untuk menghilangkan komponen-komponen yang tidak diharapkan keberadaanya. Untuk informasi, di PT Miwon Indonesia menggunakan bahan baku utama tetes tebu dengan dikombinasikan dengan raw sugar.

Tahap fermentasi sendiri terdiri dari beberapa tahapan proses. Secara umum ada 2 tahapan yaitu persiapan media fermentasi (refinery molasses) dan fermentasi. Molasses dan raw sugar ditambah asam sulfat dalam tangki larut yang berlainan pada suhu 60^oC dan pH dipertahankan antara 2.9-3.1. H₂SO₄ mempunyai dua fungsi yaitu sebagai pengikat ion Ca²⁺ dan sebagai katalis yang memecah disakarida (sukrosa) menjadi glukosa dan fruktosa. Ca²⁺ secara alami terdapat dalam molasses dan raw sugar yang keberadaannya harus dihilangkan karena menyebabkan kristal rapuh dan menimbulkan kerak pada alat. Reaksi asam sulfat dan Ca menghasilkan CaSO₄.

Selanjutnya molasses dan raw sugar yang telah ditambah asam sulfat masuk ke tahap settling dan aging yang berfungsi untuk menambah waktu tinggal sehingga memaksimalkan pengikatan Ca²⁺. Selama proses ini pH dipertahankan 2.9-3.1 dan suhu dijaga 60^oC agar gula tidak rusak karena pada suhu yang lebih tinggi gula bisa mengalami reaksi karamelisasi. Raw sugar tidak melalui tahap aging tetapi berhenti di tahap settling kemudian langsung masuk ke tahap pencampuran media. CaSO₄ yang dihasilkan harus dihilangkan dengan menambahkan flokulan yaitu sodium poliakrilate untuk mengikat CaSO₄ yang berada dalam bentuk suspensi solid sehingga dengan flokulan akan diikat dan membentuk masa yang lebih besar kemudian mengendap. Cara penambahan sodium poliakrilate dengan ditetes-teteskan pada larutan molasses yang mengalir pada inline mixer. CaSO₄ lalu diendapkan dalam thickener dengan memanfaatkan gaya gravitasi. Cairan molasses hasil pengendapan masih mengandung CaSO₄ sehingga harus dipisahkan lagi menggunakan centrifuge.

Cairan molasses yang telah dimurnikan kemudian dicampur dengan komponen media fermentasi yang lain yaitu larutan raw sugar, urea, thiamin, biotin, MgSO₄, MnSO₄, FeSO₄, K₂HPO₄, corn step liquor, dan antifoam. Media fermentasi disterilisasi sebelum digunakan untuk fermentasi asam glutamat. Sterilisasi media bertujuan untuk membunuh mikrobia pathogen dalam media yang dapat menganggu pertumbuhan bakteri asam glutamat selama proses fermentasi sehingga menyebabkan kontaminasi. Alat yang digunakan adalah heat exchanger dengan menggunakan steam suhu 120-123^oC.

Setelah media fermentasi disterilisasi selanjutnya masuk ke tahapan fermentasi. Tahap fermentasi dimulai dengan penyiapan kultur. Kultur yang dipakai adalah bakteri Corynebacterium glutamicum. Corynobacterium glutamicum merupakan bakteri yang biasanya digunakan untuk memproduksi asam amino seperti asam glutamat dan lisin. Bakteri ini termasuk bakteri tanah gram positif yang berbentuk batang dan bersifat non motil. Suhu pertumbuhan optimal C. glutamicum yaitu 30-35^oC pada pH 7-8 dengan suhu pertumbuhan maksimalnya 40^oC (Nishio, 2004). Asam glutamat merupakan metabolit primer yang dihasilkan oleh C. glutamicum. Senyawa tersebut mulai diproduksi pada fase log pertumbuhan bakteri atau mengikuti kurva pertumbuhan sel bakteri.

Biotin atau vitamin B7 merupakan faktor pertumbuhan yang mempengaruhi produksi asam glutamat selama proses fermentasi. Secara alami, molasses mengandung biotin namun belum mencukupi untuk pertumbuhan bakteri sehingga perlu ditambahkan dari luar. Jika tersedia biotin yang cukup untuk pertumbuhan maka mikrobia akan memproduksi asam laktat. Pada kondisi pertumbuhan suboptimal akan dihasilkan asam glutamat. Konsentrasi kritis biotin dalam medium untuk produksi asam glutamat adalah 0.5 g/L (Judoamidjoyo dkk, 1992). Pada konsentrasi lebih dari 0.5 g/L menyebabkan sintesa asam oleat sehingga kandungan fosfolipid tinggi sehingga tidak dapat mengekskresi asam glutamat. Pada konsentrasi biotin rendah akan terjadi kerusakan membran sel karena penurunan sintesa fosfolipid sehingga asam glutamat intraseluler dapat dikeluarkan (Rahman, 1992).

Tahap fermentasi secara umum terdiri dari 3 tahapan proses yaitu adaptasi bakteri di jar, perkembangbiakan bakteri di pilot dan fermentasi asam glutamate di fermentor. Jar merupakan tempat adaptasi bakteri Corynebacterium glutamicum dengan memberikan kondisi setengah lapangan dan setengah laboratorium. Dengan adanya tahap jar ini diharapkan tidak banyak bakteri yang mati ketika kultivasi di dalam fermentor karena sudah tahan dan terbiasa dengan kondisi lapangan. Media yang digunakan pada jar fermentasi meliputi raw sugar, air, yeast ekstrak teknis, thiamin, biotin, MgSO₄, dan antifoam. Selama kultivasi di jar dilakukakan pengontrolan pH yaitu 6.9-7.2; suhu 31-32.5^oC; dan aliran udara (air flow) 150-200 liter/menit.

Selanjutnya dari jar dipindahkan ke pilot dengan tambahan media baru. Pilot berfungsi sebagai tempat pertumbuhan bakteri sebelum fermentasi. Komposisi media pilot terdiri dari HSP murni, urea, thiamin, biotin, MgSO₄, MnSO₄, FeSO₄, K₂HPO₄, vitamin C, corn step liquor, dan antifoam cair. Tahapan sebelum kutivasi pada tahap pilot fermentasi yaitu sterilisasi tangki pilot kosong, sterilisasi filter, sterilisasi media, pemindahan kultur dari jar ke pilot, kemudian kultivasi selama 24 jam. Selama kutivasi dilakukan pengontrolan suhu 31-32.5^oC dan pH 6.9-7.2 tetapi tidak dilakukan pengontrolan air flow seperti pada jar.

Tahapan terakhir yaitu fermentasi di fermentor. Fermentor merupakan tempat terjadinya fermentasi yaitu proses pembentukan asam glutamat. Media pada fermentor terdiri dari HSP, larutan raw sugar, urea, thiamin, biotin, MgSO₄, MnSO₄, FeSO₄, K₂HPO₄, corn step liquor, dan antifoam. Fermentasi dilakukan selama 35-40 jam, dengan suhu 31-32^oC dan pH 6.9-7.2. Output tahap fermentasi disebut original broth (OB). Selama proses fermentasi dilakukan pengontrolan beberapa parameter yaitu :

-          Pengontrolan pH dilakukan dengan pengaliran gas NH3

-          Pengontrolan suhu menggunakan air pendingin

-          Pengaturan aliran udara yaitu 2.000-5.000 liter/menit

-     Pengontrolan kadar gula (substrat) dilakukan dengan feeding media. Batas minimal kadar gula dalam tangki fermentor 0,9%.

Reaksi yang terjadi selama proses fermentasi yaitu :