Proceding Pertemuan Ilmiah SainsMateri 1996
PENGEMBANGAN DAN APLIKASI BIOPOLIMER UNTUK BIOPROSES. Sumaryanto
2
ABSTRAK PENGEMBANGAN DAN APLIKASI BIOPOLIMER UNTUK BIOPROSES. Biopolimer seperti alginat, karagenan, khitosan, agar dan karboksimetilselulosa dapat dikembangkan untuk matrik imInobi.1isasi dari enzim atau Bel untuk produksi antibiotika, ethanol, asam-asam organik, enzim, produk biotransformasi dan juga dapat digunakan untuk proses penanganan lingkungan. Suatu hal bahwa imInobilisasi enzim atau seluruh Bel telah diuji dalam praktek untuk mendapatkan sistem biokataJitik. immobilisasi mernpunyai keuntungan terutama pada reaksi yang membutuhkan sistem mu.ltienzim atau isolasi enzim yang mahal. Beberapa keuntungan immobilisasi sel atau enzim seperti isolasi produk yang sederhana, penggunaan ulang biokatalis pada proses kontinyu, katalisa reaksi dengan ketergantungan kofaktor, scale up mudah dan menghindari kerusakan Bel. Packed colom reaktor, up flow reaktor, kaskade bioreaktor adaIah boreaktor spesiflk yang biasanya digunakan pada bioproses menggunakan biopolimer. Pada penelitian ini digunakan Lactobacillus delbrueckii NRRL-B44S dilakukan penjebakan dengan alginat biopolimer dapat digunakan untuk produksi asam laktat, manik-manik dari aIginat biokatalis dapat digunakJln ulang hingga 30 kali fermentasi tanpa terjadinya penurunan aktifitas dan dengan re.1atif produktifitas yang konstan. Dengan Bacillus subhlis di.1akukan penjebakan dengan alginat biopo.1imer dapat digunkan untuk produksi enzim protease. Disamping itu bahan non biopo.1imer seperti polyurethan dapat juga digunakan namun dapat menurunkanjumlah Belpada awalnya karena terjadinya CO2 yang terbentuk dari proses polikondensasi selama terbentuknya poliurethan.
ABSTRACT DEVELOPMENT AND APPLICATION OF BIOPOLYMER FOR THE BIOPROCESS. Biopolymer such as alginat, carrageenan, chitosan, agar and carboxymethylcellulose can be developed for immobilization matrix of enzyme or whole cells for producing antibiotics, ethanc~, orgarlic acids, enzymes, amino acids, biotransformation pr'oducts and also can be used in envirorunental bioprocesses. For some time, the immobilization of enzymes and whole cells has proven to be a practical methode of obtaining biocatalytic systems. The immobilization of whole cells has particular merit where the reaction rell."'red a multienzyme system or where the enzyme isolation is too expensive. The several advantagescells or enzymes immobilization Sl' .dB simple product isolation, reuse of biocatalyst continuous processes,catalyze cofactor dependentreactions, easy scale up and avoid cells disruption. Packed column reactor, up flow bioreactor, cascade bioreactor are spesific bioreactor which are usually used for processes using biopolymer. This experiment was shown the entrapment with alginat bioplymer of Lactobacillus delbrueckii NRRL-B445 can be used for lactic acid production, beads of alginat biocatalysts can be reused up to 30 run of fermentation without decreasing activity dan with relative constant productitvity. Using Bacillus subtilis entraped with alginat bioplymer can also be used to produce proteaseenzyme. Otherwise "';"0 nnlwrethane cause decreasinl! of initial cells number becauseofC~ from the polycondensation during polyurethane formation.
PENDAHULUAN Bioproses merupakan gabungan dari aktifitas interdisiplin antara lain kimia, biologi dan teknologi proses maupun teknologi pertanian dalam proses produksi baik secara konventional maupun teknologi yang lebih maju. Pada tahun 1974 Chibata sebagai pelopor dalam memulai penelitian penggunaan bahan biopoiimer untuk bioproses yaitu dengan menggunakan bahan adsorpsi dan jebakan (entrapment) melakukan immobilisasi biokatalis (2] dan dilanjutkan oleh beberapa penelitian lanjutan seperti Klein dan Vorlop (6,7] dengan basil dapat memberikan densitas bioakatalis yang tinggi disamping proses dengan konvensional serta dapat digunakan secara berulang dalam waktu
relatif lama tanpa diperlukan starter.
pembuatan
Secara teknis telah diterapkan baik dalam penelitian skala laboratorium maupun pilot penerapan taknik irnnlobilisasi yang diantranya mcnggunakan bioplolimer dalam bidang industri bahan makanan dan famlasi, beberapa diterapkan sebagaijasa penanganan lingkungan (4] Chibata (1974) menggunakan biokatalis Escherichia coli yang diimmobilisasi dengan biopolimer Carageenan untuk memproduksi L-Asam Asparagin. Untuk suatu bioproses satu tabap dapat digunRkan immobilsasi biokatalis mati sedangkan untuk immobilisasi biokatalis hidup diperlukan multitahap yang lebih
I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 1996 2Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Jakarta
197
komplex, yang disitu memerlukanterjadinya regenrasi koenzim, seperti NAD, FAD daD linnya. Bidang industri yang menerapkan immobilisasibiokatalis antaralain: 0 Pemisahanrantaibeta lactamantibiotika 0 Pemisahan rantai oligosakarida daD disakarida 0 Isomerisasiglukosa menjadifruktosa 0 Rasemasipadaasamamino 0 Pemisahandari laktosa menjadi glukosa daDgalaktosadenganbetagalaktosidase Beberapa pertimbangan penggunaan bahan untuk immobilisasi biokatalis daD penggunaan biopolimer didasarkan atas beberapa keuntungan maupun kerugian dalam aplikasinya.
TABEL 1: Beberapakeuntunganataupun kerugian penggunaanbiopolirnersebagai bahanirnrnobilisasi Keuntun an I Kerugian Persyaratan reaksi I Stabilitas rendah ketat Tidak ada reaksi Enzim mahal sam in Substratspesiflk Sering dengan larutanyang sangat
Aiginat
Paracoccus Denitriflkasi
Alginat
Bacillus
denitrificans subtilis
-
Carrageena Serratia n marcecens AcetJbactey Carrageena n suboxvt!ans Carrageena Bacillus n subtilis ChitosanEscherechia Polyphosph coli
~
Amylase L-Isoleucine
--~
L-Sorbose Amylase
L-SerinIndo!
at
Chitosan -
SaccharomycGlucose/etha
alginat Agar
er cerevisiae nol Lactobacillus Asam laktat delbrueckii Enzyme
Cellulose triacetat
Beberapateknik immobilisasi dapat menggunakan biopolimer dalam pengembangandaD aplikasinya baik dalam bioproses maup..n(ienangananlin~~ung1\r Metoda paling sederhana adalah adsorpsiyang pada dasamya adalah adanya kekuatan fisik (Van der Waals strength) misalnyaaplikasi Adsorpsi Clostridium pada SelulosalHemiselulosa
enter Bershabat line.kungan Pengembangan dan aplikasi bioplimer sebagai bahan (Carrier) untuk immobilisasi yang pada umumnya melalui metodapenjebakan(entrapment) TABEL 2: Beberapapengembangan dan aplikasi bioplolimer yang digunakanuntuk bioproses
--
--
Biopolimer ---
Aiginat ---
AJginat -
Alginat
Biokatalis
Bioreaksi/Bio produk Acetobacter Asaro sp glukonat
Lactobacillus Asaro laktat delbrueckii
Bacillus
Protease
me,,:aterium Alginat
Methanosarc; Metlta.n na barker;
Alginat
Can..:,idt? trap/calis
19,11
Pe'"Uarzian Dhe-,!ol_-
Disamping metoda tersebut terdapat pula metoda lkatan ion (ionic binding). Hal ini berdasarkanpada ion atau heteropolar, adanya ikatan elektrostatik antara biokatalisator daD bahan material pengikat. Heteropolar pada suatu polianionik matrix (cation exchange)terikat pada biokatalisator, contohnyaadalah ikatan katalasepada DEAE selulosa,Aminoasilasepada DEAE Selulo&1, Azotobacterpad.1CellexE (Selulosa). lkatan kovalen (covalen binding) merupakan metoda ikatan bersama terikat padaatom, yaitu antara biokatalisatordengan nlatrix. Sebagaigrup fungsional untuk ikatan kovalendapatdigunakanalpha daDbetagrup amino, karbox-yl, sulfbydril, hydroxyl, imidazol dn renol. Beberapa grup sep~rfi gugus SH, beta amino cocok untuk bahan yang langsung reaksi, grup lain seperti OH harus diaktitkan dulu.Bioplimer yang sering digunakan dalam ikatan kovalen adalah Laktatoksidasepada selulosa,Bacillus subtilis pada agarosa,Azotobacter sp pada selulosa
.
, 199
dan Micrococcus Iuleus pada CarboxymcthyIce" ulose. Metoda yang paling banyak diteliti dan diaplikasikan dengan menggunakan biopolimer adalah metoda jebakan (entrapment), yaitu biokatalis dijebak dalam suatu bahan matrix. Dengan masih dimungkinkannya substrat untuk berdifusi schingga terjadi kontak antara biokatalis dengan substrat. Contoh penggunaanteknik ini yaitu dengan beberapa metoda khusus
scperti: 0 0
Pendinginangel dengangelatin Pcmbentukangel sccara penetesan/drop denganaIginatdan carageenan 0 Pcngendapandengansclulosaasctat. 0 Penurunantemperaturdenganagar. Bcberapa teknik immobilisasi lain seperti metoda ikatan silang (cross linking) maupun jebakan dengan polikondensasi sepeni polyurethantidak dapat dipergunakan biopolimersebagaikariernya. Untuk produk fitofannaka teknik ini mulai diteliti dan diaplikasikan untuk produksi steroid maupun metabolit sekunder, juga untuk produk biotransformasi seperti pembuatansirop HFS (high fructose syrup) dari glukosa dengan immobilisasi set yang mengandungenzim glukoseisomerase, bahkan di USA sudahdiproduksisccarakomersial. Banyak peneliti mengembangkan teknik immobilisasi dengan menggunakan material matrix, baik biopolimer maupun lainnya sepeni poliurethan, resin dan silikon. Disamping itu juga dilakukan pengembangan modifikasi sepeni coating alginat, mikrokapsul, polyurethan coating alginat, fiber immobilisasi. Proses pembentukan biopolimer dengan aIginat adalahsebagaiberikut:
""'"'1/;;:.:1'"
Padapenelitian ini biopolimer alginat digunakanuntuk produksiasam laktat dengan LactobacillusdelbrueckiiNRRL-B44S. Kinetika untuk fermentasiasam laktat adalah dP/dT -aX/dt + bX sedangkan reaksi biokimia dari SUbStr3t glukosamenjadiasamlaktat adalah: Glucose+ 2P + 2ADP -2 2ATP+2H20
Asaro laktat +
CARA KERJA BAHAN Strain Lactobacillus delbrueckii NRRL-B44S diperoleh dari Agriculture Research Service, North University Street, Peonia,Illinois USA. Medium menggunakan MRS:Yang komposisinya terdiri dari glukosa 10 g, protease pepton 10 g, ekstrak daging 5g, tween 80 sebanyakIg, ammonium sitral 2g, nalriumaselat 5& rnagnesiumsulfal0,005g, dinalriumhydrogenfosfal2g
dan
aquadesl
hingga lliler. Untuk produksidigunakanmedium P yang komposisinyaterdiri alas gJukosa 109, ekstrak ragi 5g, anunoniumsulfat 0,5g, magnesiumsulfatO,3g, kaliumdihydrogenfosfal 0,2g dikaliumhydrogenfosfat O,2g daD aquadesthingga1 liter. BahanPolimer menggw1akan Alginat Teknik inunobilisasi dapat dilihat secara skematis pada gambar 2, suspensi biokatalis daD natrium aJginat diteteskan pada
larutan CaCl2 sehingga terjadi polimerisasi gel kalsium alginat.
Setelah terjadi polimerisasi, basil reaksi dibiarkan selama 30 menit agar terdapat manik-manikdcnun konsistcnsiyang,kuat. Analisis glukosa,asarnlaktat daD produk lain menggunakan HPLC (High Perfonnance Liquid Chromatographie).Penghitungandan pengarn:.tansel menggunakanhemacytometer dan mikroskop.
6.
KESIMPULAN
e "
~
~
Gambar2: Teknik immobilisasibiokatalis denganalginat HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan menggunakan bioreaktor 8STR (Batch Stirrer Tank Reactor) dan dilakukan sistem bath berulang hingga 30 kali dengan kondisi fennentasi :Medium MRS, glukosa 50/0, biopolimer alginat untuk immobilisasi, beban biokatalis 300/0,pH 6.00, temperatur 4S derajat C-elci~. ;Didapa~nrhasil , ' tertera
pada
(Jambar;
1
,'bahwa;
.seperti " pr.b~
produksi masih t~R ~rjalan., dengan baik dengan produksi asam laktaf' ~lan'la '3<7b'a'tch fennentasi sebanyak 72% hingga '92%'dengan produktivitas antara 0,76 hingga 1,79 g/l.h. Densitas biokatalis stabil dan bahkan meniogkat sepanjang proses. hal ini dimungkinkan karena biokatalis yang berupa sel Lactobacillus delbrueckii tersebut dapat tumbuh didalam biopolimer alginat.
Alginat yang dikernbangkanrnenjadi karier untuk proses penjebalr.an sel Lactobacillus delbrueckii dapat diaplikasikan untuk bioproses yaitu rnernproduksi asarn laktat. Keuntungan proses ini adalah antara lain dapat dipergunakar; secara berulang, hingga 30 kali batch ferrnentasidengantanpa rnernbuatstarteryang bani, densitassel cukup tinggi denganproduktivitasyang tinggi. Pengernbangan biopolimer dapat bervariasibaik jebakan bentuk manik-manik, maupun manik yang dilapisi lagi dengan alginat ataupunbahanlain. Aplikasikan untuk bioproses selain untuk produksi asam laktat dapatjuga untuk produksi asam organik lainnya, enzim, antibiotika dan reaksi enzimatik lainnya. daJampenelitian telah juga digunakan untuk bioprosesdalampenangaJ1an lingkungan. Padapenelitian ini digunakan alginat daD rnerupakan nlatrix yang relatif sesuai untuk proses produkcsi asarn laktat, karena teknik sederllalladan dapat digullakan hingga beberapabatch. Beberapa peneliti rnenggunakan bermacamjenis bioplirner dan dikernbangkan sesuaidenganstrain maupunbahanyang akan
dj~uksi dalambioproses. Oi'~I'hdonesiaaplikasi teknik ini telah rnulai cfikein.bangkan narnun masih pada penelitian Ikala Jaboratoriurn.
.
DAFTAR PUSTAKA. 1
2.
3.
4.
5.
Gambar3: Produksiasamlaktat dengan Lactobacilusterimmobilisasi biopolimer.
200
BElLEY, J.E., AND D.F. OLLIS (1987) Biochemical Engineering Fundamentals. Mc Graw-Hill Book Company, New York. 373-532. CHIBATA, I., TOSA,T. SATO.T., (1974) Immobilized aspartase containing microbial cells preparation and enzymatic properties, Applied Microbiology, 27, 878885. CRUEGER, W. and A. CRUEGER (1984) Biotechnology: A Textbook of Industrial Microbiology. Sinauer Associates. Inc. Sunderland. 124-125. HACKEL, U. et all (1975) Immobilization of microbial cells in polymeric matrices. European Journal Applied Microbiology, I, 291-293. HARTMEIER W. (1986) Immobjlisierte Biokatalysatoren. Springer Verlag. Berlin. 23-49. KLEIN, J. and K.D. VORLOP (1986) Immobilization TechniquesCells,Comprehe
nsive Biotechnology.The Principle Application arid Regulationof BiQtechnologyin Industry,Agriculture and Medicine. Edited by Moo-Young. M. Pergamon Press Oxford. New york. Toronto. Sydney. Frankfurt,203-224. 7 VORLOP, K.D., and J. KLEIN, (1983) New developmentsin the field of cell immobilizationformation of biocatalystsby ionotropic gelation. Enzyme Technology. Edited by Lafferty, R.M., Springer International.Newyork, 219-235.
201
