Kinetika Fermentasi Produksi Selulosa Bakteri Oleh Acetobacter pasteurianum Pada Kultur Kocok
Oleh :
Kelompok 10
Gilang Indra M (240210090079)
Panji Bima S (240210090089)
Lingga Rahardian S (240210090103)
Eka Cipta S (240210090114)
Bakti Darmawan (240210090124)
Fina Muftia (240210090134)
JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PANGAN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
UNIVERSITAS PADJADJARAN
JATINANGOR
2010
1. PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Selulosa bakteri adalah selulosa yang diproduksi oleh mikroba terutama bakteri dari galur Acetobacter. Selulosa bakteri memiliki karakteristik yang lebih menguntungkan dibanding selulosa dari tanaman. Karakteristik tersebut antara lain kemurniannya tinggi, dapat terurai, seratnya halus (berdiameter 0.1 ~m atau 300 kaIi lebih kedl dibanding serat kayu), kekuatan tarik mekaniknya bag us, kapasitas pengikatan airnya yang tinggi dan derajat kristalinitasnya yang tinggi (Ross et al., 1991). Selain itu selulosa bakteri juga dapat dimanfaatkan sebagai pembuluh darah buatan. Bakteri selulosa merupakan biomaterial menyerupai struktur kolagen, komponen di arteri dan vena yang dapat memberikan kekuatan pembuluh darah. Biomaterial ini juga memiliki sifat unik karena dapat diproduksi dalam berbagai bentuk dan ukuran. Oleh karena kelebihannya, selulosa bakteri digunakan sebagai bahan baku industri (Johnson et al., 1990; Yamanaka et al., 1989; Tahara et at., 2000). Sejauh ini, proses produksi selulosa bakteri yang umum digunakan adalah dengan kultur diam (static culture).
Namun metode ini dari sudut pandang industri tidak efisien, karena waktu fermentasi lama, membutuhkan tempat yang luas untuk menumbuhkan kultur dan tenaga kerja dibutuhkan banyak (Toyosaki et al., 1995; Son et al., 200 J). Oleh karena itu, diperlukan metocie produksi massal yang efisien untuk memproduksi selulasa bakteri. Kultur tergoyang dan kultur teraduk berpotensi dijadikan metode produksi massal selulosa bakteri, karena waktu fermentasinya relatif cepat dan tidak membutuhkan tempat yang luas untuk menumbuhkan kultur.
Pada kultur tergoyang dan kultur teraduk, umumnya selulosa bakteri yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan kultur diam. Hal ini berhubungan dengan mutasi sel, sehingga sel tidak dapat memproduksi selulosa bakteri (Dudman, 1960). Namun, beberapa penelitian telah berhasil mengisolasi galur yang dapat memproduksi seluiosa dalam jumlah besar pada kultur tergoyang dan kultur teraduk (Toyosaki et aI., 1995; Son et al., 200 I). A. pasteurianum merupakan salah satu galur yang mampu memproduksi selulosa bakteri.
Namun, sejauh ini belum ada penelitian yang menggunakan galur ini untuk memproduksi selulosa bakteri menggunakan kultur tergoyang dan kultur teraduk. Berdasarkan hasil penelitian Toyosaki et al., (1995) selulosa bakteri yang diproduksi secara tergoyang menggunakan galur A. pasteurianum ATCC 10245 pada media CSLFru lebih rendah dibandingkan A. xylinum subsp. sucrofermentan BPR 200 I. Perbedaan perolehan selulosa bakteri antar galur dapat disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain komposisi media kultivasi dan kecepatan agitasi atau pengadukan. Menurut Toyosaki et al., (1995) selulosa bakteri yang diperoleh menggunakan kultur tergoyang erat hubungannya dengan jenis media kultivasi yang digunakan.
Media CSL-Fru merupakan jenis media kultivasi yang telah terbukti mampu menghasilkan selulosa bakteri dalam jumlah besar pada kultur tergoyang dan kultur teraduk. Namun media tersebut relatif mahal, karena banyak menggunakan bahan sintetik, seperti campuran vitamin, campuran garam dan CSL (Corn Steep Liquor). Oleh karena itu, diperlukan modifikasi media CSL-Fru menggunakan bahan-bahan yang murah dan mudah didapat.
1.2.Tujuan
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan parameter kinetika kultivasi menggunakan media kultivasi dan kecepatan agitasi optimum.
2. Metode Penelitian
2.1 Produksi selulosa bakteri pada kultur kocok
Media kultivasi yang digunakan adalah media kultivasi optimum hasil penelitian terdahulu yaitu terdiri dari air kelapa sebagai pelarut, KH1P04 0, I % b/v, MgS04.7H20 0,25 % b/v, sukrosa 3,83% b/v dan (NH4)2S04 0,73 % b/v. Sedangkan kecepatan agitasi optimum diperoleh pad a kecepatan 0 rpm (diam) untuk propagasi sel dan kecepatan 140 rpm. Analisa yang dilakukan meliputi rendemen selulosa bakteri murni kering, OD (densitas optik) media kultivasi, bobot biomassa kering dan kadar gula sisa. Pengambilan sampel dilakukan selama 10 hari. Hari pertama sampel diambil setiap 4 jam sekali. Hari ke-2 sampai hari ke-4, sampel diambil setiap 6 jam sekali. Hari ke-5, setiap 8 jam sekali. Kemudian hari ke-6 sampai hari ke-10 setiap 12 jam sekali.
· Analisis rendemen selulosa bakteri mumi kering.
Selulosa yang terbentuk di dalam media kultivasi dikumpulkan dan dicuci dengan air destilata. Setelah dicuci, selulosa direndam dalam larutan NaOH 0, I N pada suhu 60°C selama 2 jam. Kemudian selulosa dicuci kembali dengan air destilata untuk menghilangkan sisa-sisa alkali dan sel- sel bakteri. SeJulosa murni tersebut dikeringkan didalam oven pada suhu 70 - 80°C sampai kering dan selulosa memiliki bobot konstan.
· Analisis OD (densitasi optik)
Densitasi optik media kultivasi diukur mcnggunakan spektrofotometer pada panjang
gelombang 660 nm (Masaoka et aI., 1993).
· Analisi Bobot biomassa kering.
Setelah inkubasi selesai, labu erlenmeyer digoyang cukup kuat untuk melepaskan sel yang terjerat pada jaringan atau serat selulosa. Kemudian selulosa yang berada dalam media kultivasi dipisahkan dari cairan media kultivasi dengan saringan. Cairan media kultivasi akhir yang diperoleh disentrifus pada kecepatan 4000 rpm dan suhu 4°C. Setelah sentrifus, endapan yang terbentuk dipisahkan dari cairan media kultivasi dan dibersihkan dad media yang masih melekat dengan air destilata. Kemudian endapan tersebut dikeringkan menggunakan oven pengering pada suhu 50°C selama 24 jam atau sampai bobotnya tetap.
· Analisis kadar gula sisa.
Kadar gula sisa diukur sebagai kadar gula total menggunakan metode fenol. Pelaksanaan pengujian mengikuti prosedur penentuan gula total metode fenol Apriyantono et aI., (1989).
· Analisa Statistik.
Data (Rendemen selulosa bakteri mumi kering) dianalisa menggunakan analisa ragam (Anova). Kemudian perbedaan rata-rata rendemen antar perlakuan diuji menggunakan uji wilayah berganda Duncan.
3. Hasil Penelitian
KINETIKA FERMENTASI PRODUKSI SELULOSA
Komposisi media kultivasi terdiri dari air kelapa, KH2PO4 0,1% b/v, MgSO4.7H2O 0,25% b/v. Media kultivasi tersebut digunakan untuk propagasi sel dan produksi selulosa bakteri. Sedangkan kondisi proses (kecepatan agitasi) yang digunakan adalah kecepatan agitasi optimum yaitu kecepatan agitasi propagasi 0 rpm atau diam dan kecepatan agitasi produksi 140 rpm.
Pertumbuhan sel dicirikan dengan waktu yang dibutuhkan untuk menggandakan massa atau jumlah sel. Umumnya pertumbuhan sel dinyatakan melalui massa sel, karena lebih mudah, cepat, dan sederhana. Massa sel dalam penelitian ini dianalisa melalui kerapatan optik atau kekeruhan cairan media kultivasi dan bobot biomassa kering.
Kurva kerapatan optik menunjukkan bahwa fase adaptasi terjadi sampai jam ke-30. Hal ini terlihat dari kekeruhan cairan kultivasi yang stabil. Pada fase awal terjadi sintesis enzim oleh sel yang diperlukan untuk metabolisme metabolit (Suryani dan Mangunwidjaja, 2000). Setelah fase adaptasi, pertumbuhan sel memasuki fase eksponensial yang terjadi mulai jam ke-36 sampai jam ke-104. Hal ini terlihat dari peningkatan kekeruhan cairan kultivasi yang tinggi. Setelah jam ke-104 kekeruhan cairan berkurang dan akhirnya stabil hingga jam ke-144. Hal ini menandakan bahwa pertumbuhan sel telah memasuki fase stasioner. Kekeruhan cairan kultivasi akan berkurang semakin cepat mulai jam ke-156 sampai jam ke-240.
Pola pertumbuhan sel yang sama ditunjukkan pula oleh kurva bobot biomassa kering, yang menunjukkan bahwa fase adaptasi terjadi sampai jem ke-48. Kemudian pertumbuhan sel memasuki fase eksponensial mulai jam ke-54 sampai jam ke-104 dengan bobot biomassa tertinggi (Xmaks) sebesar 2,57 g/l. Kemudian setelah jam ke-104 pertumbuhan sel memasuki fase kematian yang terlihat dengan berkurangnya bobot biomassa kering. Fase kematian disebabkan karena ketahanan hidup sel menurun akibat akumulasi berbagai produk metabolit dan inhibitor, sehingga terjadi lisis sel dan massa sel berkurang.
Penentuan laju pertumbuhan spesifik (μ) berkaitan dengn fase eksponensial. Pada fase ini, laju pertumbuhan spesifik adalah tetap dengan keadaan pertumbuhan yang mantap. Berdasarkan persamaan linier kurva penentuan μ dapat diketahui bahwa nilai μ adalah 0,025 l/jam. Waktu ganda sel untuk memperbanyak diri dua kali dari jumlah atau bobot sel semula, yaitu sebesar 27,62 jam. Sedangkan laju pertumbuhan spesifik maksimum (μmaks) besarnya sama dengan nilai μ, karena nilai μ pada fase eksponensial adalah konstan.
Pembentukan selulosa bakteri pada kultur tergoyang dinyatakan dengan rendemen selulosa bakteri murni kering. Kurva rendemen selulosa bakteri murni kering menunjukkan bahwa selulosa bakteri terbentuk setelah jam ke-8. Hal ini disebabkan karena sel-sel sedang aktif memproduksi enzim-enzim yang diperlukan untuk metabolismenya. Kemudian mulai jam ke-12 sampai jam ke-54, mulai terbentuk selulosa bakteri dengan laju produksi rendah. Mulai jam ke-60 sampai jam ke-112, rendemen meningkat dengan laju yang tinggi. Kemudian setelah jam ke-112, rendemen yang dihasilkan tidak mengalami peningkatan lagi dan cenderung stabil. Kurva rendemen selulosa bakteri murni kering memiliki kecenderungan pola yang sama dengan kurva bobot biomassa kering.
Perbedaan dari kedua kurva tersebut adalah setelah fase eksponensial. Rendemen selulosa bakteri murni kering menunjukkan fase selanjutnya adalah fase stasioner, sedangkan bobot biomassa kering terjadi fase kematian. Hal ini terjadi karena sel-sel mengalami lisis, sehingga massa sel berkurang dan selulosa bakteri tidak dapat diproduksi lagi. Oleh karena itu, rendemen selulosa bakteri murni kering yang diperoleh adalah konstan. Kedua kurva tersebut juga menunjukkan bahwa pertumbuhan produksi selulosa bakteri berasosiasi dengan pertumbuhan sel pada kultur tergoyang, karena memilikii kecenderungan pola yang sama. Selain itu, waktu inkubasi atau kultivasi optimum juga dapat diketahui, yaitu selama 112 jam.
Bersamaan dengan produksi selulosa bakteri, substrat akan mengalami penurunan secara cepat. Substrat yang diamati adalah kadar gula total yang dikonsumsi oleh sel.
Pada kurva penurunan kadar gula total ditunjukkan penurunan yang cepat mulai dari jam ke-30 sampai jam ke-104. Penurunan kadar gula total tersebut sejalan dengan fase eksponensial massa sel dan produksi selulosa (rendemen selulosa bakteri murni kering). Setelah itu penurunan kadar gula total terjadi dengan laju yang rendah.
Pertumbuhan dan pembentukan produk oleh mikroba merupakan proses-proses biokonversi, yaitu nutrien kimiawi yang digunakan dikonversi menjadi massa sel dan metabolit-metabolit. Setiap konversi tersebut dapat dikuantitasikan oleh suatu koefisien hasil yang dinyatakan sebagai massa sel atau produk yang terbentuk per unit massa nutrien yang dikonsumsi, yaitu Yx/s untuk sel dan Yp/s untuk produk. Selain itu, koefisien hasil juga dapat pula dinyatakan sebagai produk yang terbentuk per unit biomassa, yaitu Yp/s. Berikut tabel hasil perhitungan parameter-parameter kinetika secara lengkap.
Tabel 1. Nilai-Nilai Parameter Kinetika Kultivasi
Parameter
|
Nilai
|
μmaks
|
0,0251/jam
|
Xmaks
|
2,57 g sel/l
|
Td
|
27,62 jam
|
Yp/s
|
0,25 g selulosa bakteri/ g substrat
|
Yx/s
|
0,099 g biomassa/g substrat
|
Yp/x
|
2,48 g selulosa bakteri/g biomassa
|
ɑ
|
2,48
|
Kinetika fermentasi adalah sistem pertumbuhan dan pembentukan produk oleh mikroba. Faktor-faktor yang mempengaruhi pertumbuhan : fisik dan kimiawi seperti pH, suhu, nutrisi. Pertumbuhan mikrobial umumnya diukur dari estimasi massa sel. Pertumbuhan mikrobial biasanya ditentukan oleh waktu yang diperlukan untuk menggandakan massa sel. Waktu penggandaan massa sel berbeda dengan waktu penggandaan jumlah sel, karena massa dapat meningkat tanpa penambahan jumlah.
Selulosa bakteri adalah selulosa yang diproduksi oleh mikroba terutama bakteri dari galur Acetobacter. Selulosa bakteri memiliki karakteristik yang lebih menguntungkan dibanding selulosa dari tanaman. Karakteristik tersebut antara lain kemurniannya tinggi, dapat terurai, seratnya halus (berdiameter 0.1 ~m atau 300 kaIi lebih kedl dibanding serat kayu), kekuatan tarik mekaniknya bagus, kapasitas pengikatan airnya yang tinggi dan derajat kristalinitasnya yang tinggi (Ross et al., 1991). Selain itu selulosa bakteri juga dapat dimanfaatkan sebagai pembuluh darah buatan.
KESIMPULAN
§ Pembentukan selulosa bakteri berasosiasi dengan pertumbuhan sel A. pasteurianum pada kultur tergoyang.
§ Laju pertumbuhan spesifik (μ) sebesar 0,0251/jam dengan bobot biomassa kering tertinggi (Xmaks) 2,57 g.
§ Waktu ganda sel terjadi selama 27,62 jam.
§ Pola pertumbuhan biomassa terdiri dari :
ü Fase adaptasil, mulai jam ke-0 sampai jam ke-48.
ü Fase eksponensial, jam ke-54 sampai jam ke-104.
ü Fase kematian, jam ke-114 sampai jam ke-240.
§ Parameter kinetika yang lain yaitu :
ü Yp/s sebesar 0,25 g selulosa bakteri/g substrat.
ü Yx/s sebesar 0,099 g biomassa/g substrat.
ü Yp/x sebesar 2,48 g selulosa bakteri/g biomassa.
§ Nilai ɑ atau laju pembentukan produk yang berasosiasi dengan pertumbuhan sel adalah 2,48.
Dapus
Anonim.Selulosa bakteri. Available at http://ruslanharuna.blogs.linkbucks.com/page/24. (diakses pada tanggal 24 November 2010)
Anonim.Kinetika Fermentasi available at http://iirc.ipb.ac.id/jspui/bitstream/123456789/40502/2/Kinetika%20Fermentasi%20Produksi%20Selulosa%20Bakteri_abstract.pdf (diakses pada tanggal 17 November 2010)
0 komentar:
Posting Komentar