j .L. Jurnal AI A:har Indonesia,VoU, No.3.September 2004,07-13rSSN1412-8659 Kinetika Fermentasi Produksi Selulosa Bakteri Oleh Acetobacter pasteuriallum Pada Kultur Kocok NOERLAlLY, ATARIANSAH,DIANA NURANI, SRIISTlNI,IDASUSANTI, L1ESBETINIHARTOTO') Peneliti pac/aPusat Pengkajian danPenerapanTeknologi BatlanPengkajian (IanPenerapanTeknologi Gd.2,It15 BPPT,JI.MH.Thamrin no 8 JakartaPusatl0340 *)Fakultas TeknologiPertanian,IPBBogor noerlaily2003@JJiahoo.com Abstract FermentationKinetics of Bacterial CelluloseProductionby Acetobacter pasterianuminthe ShakingCulture.Optimizationof bacteriumcellulose productionby shakeculturehasbeendoneusing Acetobacterpasteurianum.Optimizationcoversmediacultivationandspeedof agitation.Cultivation media consist of coconutwater.KH2P040,1 %b /v,Afgs04.7H20 0,25%b /v,sucrose3,83%b / and v (NH4)2S04 0,73%b /v.Whilespeed of optimumagitationobtained ata speed of 0 rpm forthe cellpropagationand cell140rpm fortheproductionof cellulosebacterium.Theyield of purred dried cellulose bacterium obtained by cultivation media and optimum agitation speed is5,5 g / I. Keywords:fermentationkinetics, Acetobacter pasteurianlls, shaking culture I.PENDAHULUAN Selulosabakteriadalahselulosayang diproduksiolehmikrobaterutamabakteridari galurAcetobacter.Selulosabakterimemiliki karakteristikyanglebihmenguntungkan dibandingseluJosadaritanaman.Karakteristik tersebutantaralainkemurniannyatinggi,dapat terurai,seratnyahalus(berdiameter0.1~ matau 300kaIilebihkedldibandingseratkayu), kekuatantarikmekaniknyabag us,kapasitas pengikatanairnyayangtinggidanderajat kristalinitasnyayangtinggi(Rossetal.,1991). Olehkarenakelebihannya,seJulosabakteri digunakansebagaibahanbakuindustri(Johnson etal.,1990;Yamanakaetal.,1989;Taharaet at., 2000). Sejauhini,prosesproduksiselulosa bakteriyangumumdigunakanadalahdengan kulturdiam(staticculture).Namunmetodeini darisudutpan dangindustritidakefisien,karena waktufermentasilama,membutuhkantempat yangluasuntukmenumbuhkankulturdantenaga 7 kerjadibutuhkanbanyak(Toyosakietal.,1995; Sonetal.,200 J).Olehkarenaitu,diperlukan metocieproduksimassalyangefisienuntuk memproduksiselulasabakteri.Kulturtergoyang dankulturteradukberpotensidijadikanmetode produksimassalselulosabakteri,karenawaktu fermentasinyarelatifcepatdantidak membutuhkantempatyangluasuntuk menumbuhkankultur. Padakulturtergoyangdankultur teraduk, umumnyaselulosabakteriyangdihasilkanlebih rendahdibandingkankulturdiam.Hal1111 berhubungandenganmutasisel,sehinggaseJ tidakdapatmemproduksiselulosabakteri (Dudman,1960).Namun,beberapapenelitian telahberhasilmengisolasigaluryangdapat memproduksiseluiosadalamjumlahbesarpada kulturtergoyangdankulturteraduk(Toyosakiet aI.,1995; Son et al.,200 I). A.pasteurianummerupakansalahsatu galuryangmampumemproduksiselulosa bakteri. Namun,sejauhinibelumadapenelitianyang menggunakangaluriniuntukmemproduksi ! N.Laily,Atariansyah,D.Nurani, S.Istini,I.Susanti,L.I-iartoto,KinctikaFcrmcntasiProduksiSclulosa BaktcriOlch Acetobacter pasteurianum Pada Kultur Kocak selulosabakterimenggunakankulturtergoyang dankulturteraduk.Berdasarkanhasilpenelitian Toyosakietal.,(1995)selulosabakteriyang diproduksisecaratergoyangmenggunakangalur A.pasteurianumATCC10245padamediaCSL-FrulebihrendahdibandingkanA.xylinumsubsp. sucrofermentanBPR200 I.Perbedaanperolehan selulosabakteriantargalur dapatdisebabkanoleh beberapafaktor,antaralainkomposisimedia kultivasidankecepatanagitasiataupengadukan. MenurutToyosakietal.,(1995)selulosa bakteriyangdiperolehmenggunakankultur tergoyangerathubungannyadenganjenismedia kultivasiyangdigunakan.MediaCSL-Fru merupakanjenismediakultivasiyangtelah terbuktimampumenghasilkanselulosabakteri dalamjumlahbesarpadakulturtergoyangdan kulturteraduk.Namunmediatersebutrelatif mahal,karenabanyakmenggunakanbah an sintetik,seperticampuranvitamin,campuran garamdanCSL (CornSteep Liquor).Olehkarena itu,diperlukanmodifikasimediaCSL-Fru menggunakanbahan-bahanyangmurahdan mudah didapat. Penelitianinibertujuanuntuk mendapatkanparameterkinetikakultivasi menggunakanmediakultivasidankecepatan agitasioptimum. II.BAHAN DAN METODE 2.1.Mikroba MikrobayangdigunakanadalahA. pasterianuskoleksiLabolatoriumTeknologi Bioindustri(LTB),PusatPenelitanPengkajian IlmuPengetahuandanTeknologi(Puspiptek), Serpong, 2.2.Bahan dan alat Airkelapa,(NH4)2S04(MERCK), MgS04.7H20(MERCK),KH2P04 (J.TBaker), K2HP04 (J.TBaker),ekstrakkhamir(OXOID), agarbacteriological(OXOID),sukrosa (MERCK),glukosa(MERCK).Bahan-bahan untukanalisisantaralainNaOH0, IN,aquades, NaHP04 10%,H2S04 pekat,fenol5%,PbO5 % danPb-asetat 7,5%. Alatyangdigunakanterdiridarilabu erlenmeeyer300ml,pipetmikroukuran5000Jll, termometer,timbangananalitik,ph-meter 8 (ORIONmodelnOA),autoclave,Laminarair flowbeserta perlengkapannya (bunsen, jarumOse danlampuUV),inkubator,shaker(T-VerterN2-series),penangasair,ovenpengering, spektrofotometer(HitachiU-200 I),Multispeed Refrigerated Centrifuge(ALCmodelPK'2'R), magneticstirrer,desikator,coolchamberdan refrigerator. 2.3.Tempat penelitian PenelitiandilakukandiLaboratorium TeknologiBioindustri,P3TeknoiogiBioindustri, BPPT KawasanPuspiptek Serpong. 2.4.Metode Penelitian Produksiselulosabakteripadakultllrkocok. Mediakultivasiyangdigunakanadalahmedia kultivasioptimumhasilpenelitianterdahuluyaitu terdiridariair kelapa sebagaipelarut,KH1P040, I %b/v,MgS04.7H200,25%b/v,sukrosa 3,83% b/vdan(NH4)zS040,73%b/v.Sedangkan kecepatanagitasioptimumdiperolehpad a kecepatan0rpm(diam)untukpropagasiseJdan kecepatan140rpm.Analisayangdilakukan meliputirendemenselulosabakterimurnikering, OD(densitasoptik)mediakultivasi,bobot biomassa kering dankadar gula sisa.Pengambilan sampeldilakukanselama10hari.Haripertama sampeldiambilsetiap4jamsekali.Harike-2 sampaiharike-4,sampeldiambilsetiap6jam sekali.Harike-5,setiap8jamsekali.Kemudian hadke-6sampaiharike- J 0 setiap12 jam sekali. AnaUsisrendemenselulosabakterimumi kering. Selulosayangterbentukdidalammediakultivasi dikumpulkandandicucidenganairdestilata. Setelahdicuci,selulosadirendamdalamlarutan NaOH0, INpadasuhu60Cselama2jam. Kemudianselulosadicucikembalidenganair destilata untukmenghilangkansisa-sisa alkalidan sel-selbakteri.SeJulosamurnitersebut dikeringkandidalamovenpadasuhu70- 80C sampaikeringdanselulosamemilikibobot konstan. AnalisisOD(densitasioptik)mediakultivasi. Densitasioptikmediakultivasidiukur mcnggunakanspektrofotometerpadapanjang gelombang 660 nm(Masaoka et aI.,1993). I I - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~ ~ ~ Jurnal AI A:har Indonesia,YoU, No.3, September 2004,07-13 ISSN1412-8659 AnalisiBobotbiomassakering.Setelahinkubasi selesai,labuerlenmeyerdigoyangcukupkuat untukmelepaskanselyangterjeratpada jaringan atauseratselulosa.Kemudianselulosayang beradadalammediakultivasidipisahkandari cairanmediakultivasidengansaringan.Cairan mediakultivasiakhiryangdiperolehdisentrifus padakecepatan4000rpmdansuhu4C.Setelah sentrifus,endapanyangterbentukdipisahkandari cairanmediakultivasidandibersihkandadmedia yangmasihmelekatdenganairdestilata. Kemudianendapantersebutdikeringkan menggunakanovenpengeringpadasuhu50C selama 24 jam atau sampaibobotnya tetap. Analisiskadargulasisa.Kadargulasisadiukur sebagaikadargulatotalmenggunakanmetode fenol.Pelaksanaanpengujianmengikutiprosedur penentuangula totalmetodefenolApriyantonoet aI.,(1989). AnalisaStatistik.Data(Rendemenselulosa bakterimumikering)dianalisamenggunakan analisa ragam (Anova).Kemudianperbedaan rata-ratarendemenantar perlakuandiujimenggunakan ujiwilayahberganda Duncan. III.HASIL DANPEMBAHASAN Penentuanparameterkinetikadilakukan menggunakanmediaoptimumhasilpenelitian sebelumnya.Komposisimediakultivasiterdiri dariairkelapa,KH2P04 0, I%b/v,MgS04.7HzO 0,25%b/v,sukrosa3,83%b/vdan(NH4)zS04 0,73%b/v.Mediakultivasitersebutdigunakan untukpropagasiseldanproduksiselulosabakteri. Sedangkankondisiproses(kecepatanagitasi) yang digunakan adalahkecepatanagitasioptimum yaitukecepatanagitasipropagasi0rpmataudiam dankecepatan agitasiproduksi140rpm. Pertumbuhanseldicirikandenganwaktu yangdibutuhkanuntukmenggandakanmassa atau jumlahsel.Umumnyapertumbuhansel dinyatakanmelaluimassasel,karenalebih mudah,cepatdansederhana.Massaseldalam penelitian101dianalisamelaluikerapatan optiklkekeruhancairanmediakultivasidanbobot biomassakering.Pengamatanterhadap pertumbuhanselpadatahapiniterdiridad kerapatanoptikdanbobotbiomassa.Hasil pengamatankerapatanoptikcairanmedia kultivasi(OpticalDensity)danbobotbiomassa kering dapatdilihat pada Gambar1. 2 . ~3.00 o o 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 ..----............. . ....... -... -- .......... o. 1 -00 o --- Biomassa Bo 2.50bo t Bi 2.00 o 1.50m as sa 1.00(g) 0.50 0.00 Gambar 1.KurvaKerapatan Optik (00) CairanMediaKulivasi dan Bobot biomassa kering Kurvakerapatanoptik(00)pada GambarImenunjukkanbahwafaseadaptasi terjadisampaijamke-30.Haliniterlihatdari kekeruhancairankultivasiyang stabi!.Pada fase 9 N.Laily,Atariansyah, D.Nurani,S.Istini,I. Susanti,L.Bartolo,KinetikaFermentasiProduksiSelulosa Baktcri Oleh Acetobacter pasleurianum Pada Kultur Kocok awalterjadisintesisenzimolehseldiperlukanuntukmetabolismemetaboltt (SuryanidanMangunwidjaja,2000). faseadaptasi,pertumbuhanselmemasuktfase eksponensialyangterjadin:u.1aija.m sampaijamke-l04.HalInlterhhatdan peningkatankekeruhancairankultivasiyang tinggi.Setelahjamke-l04kekeruhancairan berkurangdanakhirnyastabilsampaijamke-144.Halinimenandakanbahwapertumbuhan seltelahmemasukifasestasioner.Kekeruhan cairankultivasiakanberkurangsemakincepat mulai jam ke-156 sampai jam ke-240. Polapertumbuahanselyangsarna ditunjukkanpulaolehkurvabobotbiomassa kering.Kurvabobotbiomassadiatas menunjukkanbahwa faseadaptasi terjadisampai jamke-4S.Kemudianpertumbuhansel memasukifaseeksponensialmulaijamke-54 sampaijamke-104denganbobotbiomassa tertinggi(Xmaks)sebesar2,57gil.Kemudian setelahjamke-104pertumbuhanselmemasuki fasekematianyangterlihatdengan berkurangnyabobotbiomassakering.Fase kematiandisebabkankaren aketahananhidup sel menu runakibatakumulasiberbagaiproduk metabolit daninhibitor,sehingga terjadilisissel dan massa selberkurang. Penentuanlajupertumbuhanspesifik(11) berkaitandenganfaseeksponensial.Pad afase ini,lajupertumbuhanspesifikadalahtetap dengankeadaanpertumbuhanyangmantap. Berdasarkanpersamaanlinier kurva penentuan 11 dapatdiketahuibahwanilai11adalah0,0251 /jam.Waktu ganda seluntuk memperbanyak diri dua kalidari jumlah ataubobot selsemula,yaitu sebesar 27,62 jam.Sedangkanlajupertumbuhan spesifikmaksimum(Ilmaks)besarnyasarna denganniIai11,karenanilai11padafase eksponensial adalah konstan. Pembentukanselulosa bakteripada kultur tergoyang dinyatakandenganrendemenselulosa bakterimurnikering.Hasilpengamatan rendemenselulosabakterimurnikeringdapat dilihatpada Gambar 2. ............6,00 5,00 -::::: 4,00 c:

E3,00 c! fB ..... Jamke-Gambar 2.KurvaRendemen SelulosaBakteri MurniKering Kurvadiatasmenunjukkanbahwa selulosabakteriterbentuksetelah jamke-S.Hai inidisebabkankarenasel-selsedangaktif memproduksienzim-enzimyangdiperlukan untuk metabolismenya.Kemudian mulai jam ke-12sampaijamke-54,mulaiterbentukselulosa bakteridenganlajuproduksirendah.Mulaijam ke-60sampaijamke-112,rendemenmeningkat denganlajuyangtinggi.Kemudiansetelahjam ke-112,rendemenyangdihasilkantidak mengalamipeningkatanlagidancenderung stabil.Kurvarendemenselulosabakterimurni keringmemilikikecenderunganpola yangsarna dengankurvabobotbiomassakering,seperti yang tersajipada Gambar 3. 10 d I 1 Jurnal AI A:har Indonesia,Vol.3,No.3,September 2004 , 07-13 ISSN1412-8659 8.00 3.00 7.00 2.50 6.00 ~ . '1, 200 Ci 5.00 c: til Q) II) E 4.00 1.50 II) til Q) E 'C c:3.00 0 & 1.00CO 2.00 ~......... 0.50 1.00 0.000.00 00cocoNcoco Jamke- Nv """ ~(DN ~N -+- Rendernenselulosabakteri __ Biornassa Gambar 3.Hubungan AntaraRendemen Selulosa Bakteri Murni KeringDengan Bobot Biomassa Kering, Perbedaankeduakurvadiatasterjadi seteiahfaseeksponensial.Rendemenseluloa bakterirnurnikeringrnenunjukkanfase selanjutnyaadalahfasestasioner,sedangkan bobotbiomassa kering terjadifasekematian,Hal initerjadikarenasel-selmengalamilisis, sehinggamassaselberkurangdanselulosa bakteritidakdapatdiproduksilagi.Olehkarena itu,rendemenselulosabakterimurnikering yangdiperolehadalahkonstan.Keduakurva tersebut jugamenunjukkanbahwapertumbuhan 90,00 80,00 -70,00 ::::: 60,00Ol - ~50,00 ::::JOl 40,00 ~ 30,00 0 t-20,00 10,00 0,00 0 produksiselulosabakteriberasosiasidengan pertumbuhanselpad akulturtergoyang,karena memilikikecenderunganpola yangsarna.Selain itu,waktuinkubasiataukultivasioptimum juga dapat diketahui,yaitu selama112 jam. Bersamaandenganproduksiselulosa bakteri,substratakanmengalamipenurunan secara cepat.Substratyang diamatiadalahkadar gulatotalyangdikonsumsiolehsel.Penurunan kadargulatotaldapatdilihatpadaGambar4. Jamke-Gambar 4.Kurva Penurunan Kadar Gula TotaldalamMedia Kultivasi 11 N.Laily,Atariansyah,D.Nurani, S.lstini,I.Susanti, L.Hartoto,Kinetika FcrmentasiProduksiSelulosa Baktcri Oleh Acelobacler pasleurianumPada KulturKoeok Kurvapenurunankadargulatotaldiatas menunjukkanpenurunanyangcepatmulaidari jamke-30sampaijamke-I 04.Penurunankadar gulatotaltersebutterjadisejalandenganfase eksponensialmassaseldanproduksiselulosa (rendemenselulosabakterimurnikering). Setelahitu,penurunankadargulatotalterjadi denganlaju yang rendah. Pertumbuhandanpembentukanproduk olehmikrobamerupakanproses-proses biokonversi,yaitunutrienkimiawiyang Tabel1Nilai-NilaiParameter KinetikaKultivasi Nilai J.imaks 0.0251Ijam X 2.57 Qsel/l digunakandikonversimenjadimassaseldan metabolit-metabolit.Setiapkonversitersebut dapatdikuantitasikanolehsuatukoefisienhasi yangdinyatakansebagaimassaselatauproduk yangterbentukperunitmassanutrienyang dikonsumsi,yakniYx/suntukseldanYp/s untuk produk.Selain itu,koefisienhasil/efisiensi juga dapatpula dinyatakansebagaiprodukyang terbentukperunitbiomassa,yaituYp/s.Hasil perhitunganparameter-parameter kinetika secara lengkap tersajipada TabelI. Td. 27,62 jam _'YQfs 0,25 9 selulosa bateri/g substrat Yxis0,099 biomassa/g substrat YJllx 2,489 selulosa bakteriigbiomassa a2,48 IV.KESIMPULAN Pembentukanselulosabakteri berasosiasidenganpertumbuhanselA. pasteurianumpadakulturtergoyang.Laju pertumbuhanspesifiksebesar0,0251Ijam denganbobotbiomassakeringtertinggi(Xmaks) 2,57g.Waktugandasel(td)terjadiselama 27,62jam.Polapertumbuhanbiomassaterdiri dadfaseadaptasil(mulaijamke-Osampaijam ke-48),faseeksponensial(jamke-54sampai jamke-I 04)danfasekematianGamke-114 sampaijamke-240).Parameterkinetikayang lainyaituYp/s sebesar0,25gselulosabakteri/g substrat,Y xis sebesar 0,099 gbiomassalg substrat danYplx sebesar2,48gselulosabakteri/g biomassa.Nilaiaataulajupembentukan produkyangberasosiasidenganpertumbuhan seladalah 2,48. DAFTAR PUST AKA Apriyantono,A.,D.Fardiaz,N.L.Puspitasari, SedarnawatiDanS.Budiyanto.1989.Petunjuk LaboratoriumAnalisaPangan.PusatAntar Universitas,IPB,Bogor. 12 Dudman,W.F.1959.Celluloseproductionby Acetobacteracetigenumindefinedmedium.J Ben.Microbiol.2: 329-337 Jihnson,D.C.danA.R.Winslow.1990. Bacterialcellulosehaspotentialapplicationasa newpapercoating.Pulpand Paper,May:105-107 Masaoka,S.,T.Ohe,danN.Sakaota.1993. Productionofcellulosefromglucoseby Acetobacterxylinum.Jof Fermentationand Bioengineering. 75:18 - 22. Ross,P.,M.Raphael,B.Moshe.1991. CelluloseofBiosyntheticandFunctionin bacteria. Microbiological Review. 55:35-38. Son,H.J.,M.S.Heo,Y.G.KimdanS.J.Lee. 2001.Optimationof Fermentationconditionfor theproductionof bacterialcellulosebyanewly isolatedAcetobactersp.A9inshakingculture. Biotechnol.Appl.Biochem.33:1-5. Suryani,ADanD.Mangunwijaya.2000.Dasar RekayasaProses.DiktatKulianJurusan TeknologiIndustriPertanian,Fakultas TeknologiPertanian,IPB. I 1 1 JI/rnal Al A::.harIndonesia,Vol.3,No.3,September 2004,07-13[SSN1412-8659 Tahara,N.,K.Watanabe,N.Hioki,Y. Morinaga,T.Hajauda,H.Miyashita,S.Hiroshi, A.ShibartadanH.Ougiya.2000.Bacterial CelluloseConcentrateandMethodefor Treatmentof theConcentrate.USPatentNo. 6069136 13 Toyosaki,H.,Naritomi,A.Seto,M.Matsuika, T.TsuchidadanF.Yoshinaga.1995.Screening ofbacterialcelluloseproducingAcetobacter strainssuitableforagitationculture.Biosci. Biotech.Biochem.59: 14981502.