KINETIKA FERMENTASI Bacillus sp. BMN 14 PADA SISTEM DVA FASA CAIR (PEG-FOSFAT) lINTliK PRODliKSI BIOSVRFAKTAN
Olch:
JAKSEN M. AMIN
PROGRAM PASCASARJANA INSTITVT PERTANIAN BOG OR 1999
RINGKASAN .ruben 1\,1 Amm; TIP 96364. Kinetika Fermentasi Baed/us sp. BMN 14 pada Sistem Dua FasQ Cair {pEG-Fosfat) untuk Produksi B!Osurfaktan. Dibawah bimbingan DJumall:-v1angunwidjaj3(Ketua).AniSur;.-am dan Muhammad Romil, sebagai anggot3.
BIOSlirfaklan merupakan prod uk mikroblal J.X'ntmg yang mengandung bagian hldrofobd, dnn hldrofilik sehmgga mampu mcnurunkan tegangan pennukaan. hcrba~al
1310surfaban dllcrapkan sccara lua:, paJa
mdu:,tn dan proses, scpcrti
rcnmgkatan r(,((Jl'('IY mmyak OUln! dan sumum\'(j sccara hlOloglS (MEOR), pada tndu~tn
dcterJCn.
knsmetik.
farmasL
makanan_
mmuman.
penanggulangan
pcnccmaran mmyaL dan lain-lam r(lplk rn:nclitlan In! adalah
mcmpt~laJan
kmc!ika fermentas! sistem dua rasa
calr n1ctlt'-gunakan HUll/Ills sp. [3i\'11\' I-t untuk memproduksl blosurfaktan. Sebagal ml'dla JlIJ (;.1',0 em dl1:,'unakan PH; -t1l!)1.1 - roslJl rcrhandlngan
ha~1l
.Juga dlgunakan 8tll'ill//.\
rasa maupun Jalam dua
fa~a
SI<;ICI11
SUhlflls
fenncnta~1
(".I--1YO~
dan Na·Hpo.d. Unluk
ATCC 21332. balk dalam satu
salu fasa digunakan sebagal konlrol
Sl'l11ua rl?rcooaan memakiillllcdla garam B1111eral Cooper-Sen. scrta -1- 0 0 (tl \) glukoSl s\.'hag'H sumber karbon. Balk propagasl. percobaan penentuan koefislcn ranis] ("I mauplln prodllksi ddakukan dengan menggunakan labu erlenmeyer yang
dl1ell1palkan dalam fX.'nangas an goyang pada suhu 37 "C serta agiiasl I-tO rpm. Pertama
dllakukan
propagasl
Isolat
lokal
pel11l11dahan lI111kulum ke media krmcntasl
pcmbU
(Ii
meneotukan
\\aktu
Selalt) Itu dilakukan pcrcobaan
Pr:G~fosfat
01. (1986). Konsentrasl
untuk
yang mengacu kcpada kurva
PE(j~fostat
yang memlllki K tertlllggi
dlplilh paJa tahap produksl dengan media dua fasa. Dan propa)!aSI isolat lobi didapat bahwa waktu pemindahan inokulum ke
m(""dla krmentasl darat drlakukan antara Jam
ke~21·25,
dlmana terJadl pertumbuhan
sci optlmum yang dttandai dengan kekeruhan dan nilai densitas optik (DO) tmggl serla tegangan permukaan l·t) mmmmm
II
Penentuan koefisien partis] (K) dilakukan terhadap 10 perlakuan PEG-fosfat yang diberi 10% (v/v) inokulum selama 72 jam. Dari analisjs ragam dan uji Duncan didapatkan bahwa PEG (J 5% biv) dan fosfat (10% b/\') merupakan campuran terbaik karena memiliki nilai koefisien partisi (K) tertinggi yaitu 7.528, dengan perbandingan volume ( R ) 1,439 dan berlxda nyata dengan semua perlakuan lainnya. Produksi biosurfaktan dilakukan melalui fennentasi dua rasa menggunakan campuran PEG (15°'0 b. \.) - fosfat
(]OOo
b\) dan media Cooper-Sen dengan kondisl
yang sarna sepertl dl atas, dengan pengamatan setlap 6 Jam seJama 72 Jain terhadap pH. tegangan permukaan. biOmassa, glukosa sisa dan kadar biosurfaktan. Hasil optimal yang didapat pada lennentasi dua fasa adalah sebagal berikut : Untuk fcnnentasl dua rasa mcngb-'1.lnakan Iso1at lokal. dlperolch konsentrasl biomassa
=
2,499 g.·1 padajam ke 54. konsentrasl blOsurfaktan
Jam kc 5. L tegangan pemlUkaan
~"n
lnlOllnUm
= ~7.2
perhitungan parameter kmetJka dihasilkan laJu
=
1. 7962 g.\ pada
mN m padapm kc 5-1- Dan
speslfi~
pertumbuhan
0,1071 'Jam, haslL IX'rolehan (\"I!!/d) produk terhadap blOmassa (Yp. X)
""'
()l)
~
0,7575 g g.
.\"Idd prod uk tcrhadnp substrat ! YpiS) - 0,0634 g g. dan .\wld blOmassa terhadap suh5trat (Yx;5)
~
0,0823 g/g. Laju produksi hlOsurfaktan (Qsurt) =- 0,0513 g;1 jam
dan IUJu penurunan tcgangan pcnnukaan (Qteg) = 0,6196 mN m Jam .., Untuk fermenta51 dua fasa menggunakan 150lat komersial (kontrol), diperoleh konsentrasi biomassa
=
2.953 g.1 pada jam ke 48. konsentra.... i biosurfaktan
=
::!,::!895 g.'1 pada Jam ke 60, y minimum - ::!7.4 mN m pada jam ke 48 dan 54 Dan perhitungan parameter kinetlka dihasilkan p Yp/s
=
0.0749 gig. dan Yxis
=
=
O.l2UOJam. Ypx
=
0.7715 g.g .
0.0969 gig. Nilai Qsurf = 0.0630 g/l.1am Qteg
=
0,6911 roN/rn jam.
Produksi biosurfaktan pada satu fasa sebagai kontrol juga telah dilakukan untuk kedua mikroba dengan media Cooper-Sen dan kondisl yang sarna seperti di atas. Percobaan dilakukan selama -1-5 Jam dengan pengamatan setiap 3 Jam rnelipuu pH, tegangan permukaan, biomassa, glukosa sisa dan kadar biosurfaktan.
III
Hasil optimal yang didapat pada fermentasi satu fasa adalah ; 1. Untuk fennentasi satu fasa menggunakan isolat lokal, diperoleh konsentrasi
biomassa = 3,092 gil padajam ke 27, konsentrasi biosurfaktan jam ke 27, y minimum
=
~
1,6870 gil pada
27.5 mNim pada jam ke 24 dan 27. Dari perhitungan
parameter kinetika dihasilkan J.1 gig, dan YXls
=
=
0,1414/jam, Yp/x
00,0896 g'g. Nlla, Qsurf
~
0.6323 gig, Yp/s
=
0.0587
0,0770 gil jam dan Qteg
~
0,8702
=
mNimjam. '") Untuk fermentasl saw fasa mcnggunakan isolat komersial konsentrasi biomassa
=
(kontrol), diproleh
3.517 g;1 pada Jam ke 30, konsentrasi biosurfaktan
1.9650 gil pada jam kc 30. y minimum
=
27,2 mN/m pada jam ke 24. Dari
perhitungan parameter kinetika dihasilkan I..l = 0,154l/jam, YpiX Yp:s =
~
0.0707 g.;g, dan
y",~ ~
=
=
0.6469 g,'g,
0.1032 g:g. Nliai Qsurf - 0,0907 g.'1 jam dan Qtec:
O.9-l88 mN m Jam.
Pembentukan biomassa berasosiasi dengan produksi biosurfaktan. Dari nilai J.1 dapat dlsimpulkan bahwa fennentasi dua fasa relatif lambat danpada satu fasa. dan p isolat lo).;al re1atif lebih keeil dibanding Isola1 komersial. fenncntasi satu fasa
men gal ami gejala penghambatan akibat produk. Walaupun konsentrasl biomassa pada satu fasa lebih besar, tap! yang dapat dikonversi menjadi biosurfak.1an relatif keeil dibanding dua fasa (Yp/x satu fasa lebih keei! dari Yp/x dua fasa). Konsumsi substrat relatif sarna, terlihat dari glukosa sisa pada akhir percobaan. Karena biosurfaktan pada dua fasa lebih besar, maka Ypls dua fasa lebih besar dari Yp/s satu fasa. Sebaliknya karena biomassa pacta fermentasi dua fasa lebih kecil, maka Yxfs dua fasa lebih kecil dari Yxfs satu rasa. Walaupun biosurfaktan dua rasa lebih tinggi, tapi karena waktu fermentasi lebih lama, maka Qsurf satu fasa lebih besar dari Qsurf dua fasa, begitu juga dengan Qteg. Nilai pH berkisar antara 5,45 sampai 6,97, schingga masih memenuhi syarat untuk pertumbuhan Bacillus sp. Seeara keseluruhan isolat komersial masih lebih baik daripada isolat loka!. Hal ini terlihat dari nilai parameter kinetika fermentasi isolat komerslal yang lebih tinggi dari isolat lokal.
IV
Pada Slstem dua fasa, tetjadi penghambatan pertumbuhan sel, terutama oteh fosfat yang herada di fasa hawah dimana sel-sel herada_ Tetapi produktifitas dan stabilitas meningkat dengan menggunakan media PEG-fosfat yang mempunyal seiektivitas tmggi untuk pemlsahan blOproduK hidrofobik Pertumbuhan seJ juga terhambat olch PEG yang mempunyai pengaruh kuat terhadap osmolitas_ Fasa adaptasi lebih lama serta rasa stasioner bergeser ke periode .\ang kbdl lambat. Oleh scbab Uu pada tahap a\\"al produk:;i rendah, letapi adanya pengaruh PEG pada penneabilitas dmdmg scl dan pengaruh menslabilkan prod uk m~mung.l...Inh.an
aktifitas akhir vang Iehih Imggl. Represl katabolik dalam fermentasi
Honl/I/\ sp abn dlkurangl dlkarenakan pemlsahan substrat dalam sistem dua rasa_
f...:emungkman lam yang mcnyebabkan produksl tinggi pada tcrmentasl dua rasa adalah karena tidak adanya penguraian bwsurfaktan oleh metabolit lain. Sebab rada tL-rm. .'nla'-'l HM~
~atu
fasa dlduga
adan~a
mctahoht lam yang dlproduksi Hoel/lus sp.
14 Scp.::rti protease yang bersifat menguraikan protein yang terkandung dalam
blOsurfaktan seh11lgga produksl cenderung mcnurun. terutama setdah memasuki fasa stasionl.!f. Pada tennentasi dua rasa. biosurfaktan yang. dihasllkan terckstrak pacta rasa atas s¢hmgga tak dapat diuraikan oleh rnctaboht lain tcrst:but K~untungan
sel dan produk
lain menggunakan media dua rasa adalah kemudahan pemisahan
Secara prakus. hanya dengan didlamkan saJa dl dekanter atau di
dalam tabung. fasa PEG yang mengandung biosurfaktan mudah terpisah dengan fasa ba\\uh yung mengandung biomassa Jadi dalam produksi biosurfaktan secara besarbcsaran dan k(lntmyu. fennentasl dua rasa 101 dapat diterapkan. Dalam hal ini PEG henmdak sdaku fasa yang bt!rgt!rak ikontmyu) dan menarik biosurfaktan yang terbcntuk, scdangkan fosfat bcrtindak selaku fasa terdispersl yang berada di fasa dasar tempat dimana hiomassa tumbuh_ SelanJutnya setelah biosurfal"tan diisolasi (pada proses hillfL PEG yang telah diregenerasi dapat disirkulaslkan kembali ke dalam bioreaktor.
KINETIKA FERMENTASI Bacillus sp. BMN 14
Judu) Tesis
PADA SISTEM DUA FASA CAIR (pEG-FOSFAT) UNTUK PRODUKS1 BIOSlJRFAKTAN Nama Mahasiswa
Nomor Pokok Program Studi
Jaksen M. Amin
': 96364 Teknologi Industri Pertanian
Menyetujui :
1. Komisi Pembimbing,
Dr. Ir. Djumali ManguDwidjaja, DEA Ketoa
//!:p Dr.
DEA
~.J-
Dr. Jr. Muhammad Romli M.Sc St. ADggota
2. Ketua Program Studi TIP
Dr. Ir. Irawadi .Jamaran
Tanggallulus: 02 Desember 1999
KINETIKA FERMENTASI Bacillus sp. BMN 14 PADA SISTEM DUA FASA CAIR (PEG-FOSFAT) lINTlIK PRODllKSI BIOSLIRFAKTAN
Olcb:
JAKSEN I\\. AMIN TIP. 96364
Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sa ins Pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor
PROGRAM PASCASARJANA INSTITLIT PERTANIAN BOGOR 1999
Riwayat Hidup
Penulis dilahirkan di Penyandingan - OK! pada tanggal 04 September 1962, putra pertama dari delapan bersaudara, pasangan dari orang tua Muhammad Amin Rema dan
Khalifah M. Nur.
Penulis menikah dengan
Ir. Elina Margaretty,
dikaruniai dua orang putera, Jaka Perdana Sena dan Jaya Fitrah Sena. Pada tahun 1981 penulis menyelesaikan pendidikan di SMA I Muhammadiyah
2 Palembang. Gelar Sarjana Teknik Kimia diperoleh dari Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya tahun 1988. Sejak tahun 1988 penulis bekelja sebagai staf pengajar pada
Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang.
Dan
September
1988 sampai Agustus 1989, Penulis mengikuti pendidikan dan latihan rekayasa industri di Polytechnic Education Development Center (PEDC), Bandung. Sejak
tahun 1983 sampai tahun 1993, Penulis pemah menjadi tenaga pengajar bidang kimia, fisika dan matematika pada berbagai Bimbingan Belajar dan Sekolah Menengah Umwn di Palembang. Penulis mengikuti program Magister Sains (S2) bidang Teknologi Industri Pertanian pada Program Pascasarjana Institut Pertanian Bogor tahun 1996 atas biaya TMPDIBPPS.
VHI
•
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah, atas rahmat dan iradahMNya, penuhs dapat
menuntaskan peneiitian mengungkapkan
~inetika
In!.
Tesis
ini
merupakan Japoran
penelitian yang
fennenta5i Bacillus sp. BMN 14 dengan menggunakan
media dua fasa caif PEG-Fosfat (Campuran Na2HP04 dan KH 2PO.d untuk produksl biosurfaktan. Melalu! kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terirnakasih yang setulus-tulusnya dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada :
1.
Dr.lr.Djumali Mangunwidjaja, DEA, selaku Ketua Komlsi Pembimbing, Dr. Ir. Ani Suryani, DEA dan Dr. Ir. Muhammad Roml! M.Sc St., dalam hal
1m
selaku
Anggota Kornslsi Pemhlmbmg, yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga
dan pemikJran untuk membantu penulis mulai dari penulisan proposal, kolokium, penelitian, semmar, uJlan akhlr dan sampa! penuntasan teslS mi.
2.
Direktur PAU Bioteknologi, IPB dan Kepala Laboratorium Rekayasa Bioproses, PAU Bioteknologi, IPB atas segala izin penggunaan fasilitas yang diperlukan selama pcnelitian.
3.
Dirjen Pendidikaan tinggi, Departemen Pendidikan Nasional melalui Proyek Hibah Tim
Penelitian
Pasca Sarjana yang telah
membiayai
penelitian
biosurfaktan im. Juga dlsampaikan terimakasih atas beasisv,.-a dari TMPDIBPPS. 4.
Direktur dan Asisten Direktur I, Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor yang ikut mcnyetujui laporan teslS 1m.
S.
Rektor Universitas Sriwljaya dan Direktur Politeknik Negeri Sriwijaya alas izin tugas beJajar.
6.
Prof Ir. H. Machmud Hasjirn, MME., Ir. H. Muchjin Aklp dan Ir. HJ. Marlisnar yang telah memberikan referensl alau rekomendasi.
7.
Isteri tercinta, lr. Elina Margaretty yang telah sarna-sarna menglkutt Program Pascasarjana di TIP, IPS. Kerjasama dalam beiajar, ketabahan dan doanya yang
IX
tulu5 Ikhlas merupakan sumber encq,ri dan motor penggrak selama mengikuti program S2 ini.
8.
Ananda tercinta, Jaka Perdana Sena dan Jaya Fitrah Scna, serta adinda Dinah yang sempat menemani belajar di Bogor selama 2 tahun. Kesediaan mereka berpisah sementara kembali ke Patembang, terutama pada saat kesibukan peneiJtian im, merupakan pengorbanan dan sekaligus swnbangan mereka untuk memotlvaSI hlngga selesalnya pendidikan Ini.
9.
Kedua pasangan orang tuaku tercinta : Ayahanda M. Amin R & Ibunda Khalifah
M. Nur dl Buk-it Besar dan Ayahanda H. Ali Hanafiah Riza BBA & Ibunda Dra Hj. Sirzlah En), RIZ3 di Kenten Permal; Mas Ed) & Yuk Lis; semua adik-adik dan keponakan tersayang. Terimakasih atas bantuan moril dan doa tulus anda semua.
10. Ternan-ternan sekerja di Lab. RBP terutama Tim Biosurfaktan : Ibu Liesbetini, Ibu DWI, Bapak Alfi, dan lbu Ell)" lbu Mulyonm, alas segala pengertian, bantuan dan kerjasamanya selama penelitian. Bapak Kosasih, Mbak Pepi, Mbak Emi, Mbak DewI, Mbak lntan, atas bantuannya di laboratorium. Penuhs menyadan maslh banyak yang bel urn terungkap secara Jelas dan rnendalam mengenai substansl hasil penelitian mi. Olch schab itu diharapkan adanya penelitian lanjut mcngenai blosurfaktan
In!,
khususnya pembahasan tentang kinctika.
Saran dan knllk yang proporslOnal tt:nlunya dJpt:rlukan bagl Penulis, terutama untuk penelitian yang akan dalang. Scrnoga
Allah
sclalu
memben
petunJuk
kepada
bta
semua
untuk
mengembangkan ilmu pengctahuan dan teknolo£1 yang didasari oleh kelmanan dan ketak",.'aan, amlcn. Harapan saya, lesis ini bermanfaat bagi semua pembaca, terutama para mahasiswa dan p.lfa peneliti di bidang rekayasa bioproses.
Bogor, November 1999
Penulis,
Jaksen M. Amin
x
