AMOBILISASI Saccharomyces cerevisiae PADA MATRIK BASILPOLIMERISASI RADIASI

Lina, M.R.* clan Nazly Hilmy*

ABSTRAK

AMOBILISASI Saccha~yces cerevisiae PADA tlATRIK BASIL POLIKERISASI RADIASI.

Pada percobaan pertaDIa sel S. cerevllJjae diamobil isasi dalam matrik polimer yang

disusun dari 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) dan methoxypolyethylene &1Y£Ql

methacrylate (M-230G), sedangkan percobaan kedua menggunakan campuran monomer

tersebut yang ditambah dengan polyethylene s1Y.col dimethacrylate (14 !i). Sinal' galllllla

(60CO) dari Iradiator Karet Alam dengan laju dosis 8,6575 kGy/jam digunakan untuk

iradiasi. Iradiasi dilakukan pada suhu _78°C dengan dosis 10 kGy. Proses amobilisasi

dalam keadaan aerob. Substrat yang dipakai dalam percobaan ini adalah molase. Kadar

air dari matrik polimer ditentukan dengan metode pengeringan. Berdasarkan analisis

statistik. rata-rata kadar etanol yang diperoleh dari sel khamir yang diamobilisasi

lebih rendah daripada etanol yang diproduksi sel bebasnya (yang tidak diamobilsasi).

Kadar etanoI t.ertinggi hasil proses amobilisasi adalah dengan menggunakan matrik

polimer yang disusun dari 5% HEMA + 10% M-230G, dalam waktu fermentasi 180 menit.

Hasil ini sedikit lebih rendah t! 10%) dari etanol hasil sel bebasnya. Matrik

polimer tersebut mempunyai kadar air t.ert.inggi di antara mat.rik polimer yang lain.

Penambahan monomer 14 G pada campuran REMA • M-230G untuk pembent.ukan matrik polimer

tidak menghasilkan matrik polimer yang lebih baik.

ABSTRACT

IMMOBILIZATION or Sacchar~yces cerevlsiae ON POLY!DR CARRIER PUPARED BY

RADIATION POLYMERIZATION First experiment. was carried out. by immobilizing cells of 5cerevisiae on polymer carriers which prepared from the mixture of 2­

hydroxyethyl methacrylate (REMA) and met.hoxypolyethylene glycol methacrylate (H­

230G). whereas the mixture of the mentioned monomers which added with polyethylene

glycol dimethacrylate (14 G), were used in the second experiment. Irradiation was

performed by using gamma rays (60co) from Latex Irradiator with the dose rate of

8.6575 kGy/hour, at temperature of _78oC. The irradiation dose was 10 kGy.

Immobilization process was done under aerobic condition. Substrate used in this

experiment was mollases. Water content of polymer carrier was determined by drying

method. Statistical analysis reveals that the average ethanol content obtained from

the immobilized yeast cells were lower than that of free cells. The highest ethanol

resulted from immobilization process. was produced by yeast cells which used polymer

'"Pusat Aplikasi Isotop dan Radiasi, BATAN

601

carrier from the mixture of 5% HEMA• 10% M-230G, at the fermentation time of 180minutes. Compared with the ethanol of free cells, this result was slightly lowerC!IO%). The mentioned polymer carrier had the highest water content among polymer

carrier used in this experiment. Addition of monomer 14G into the mixture of HEMA IM-230G to form the polymer carriers, did not show the better result.

PENDAHULUAN

Produksi etanol secara fermentasi umumnya menggunakan sel

mikroba bebas dalam batch fermentor dan continuous fermentor,

meskipun cara yang kedua ini masih sediki t atau jarang dipakai.

Masalah-masalah yang timbul dengan menggunakan teknik in i antara

lain produktivitas etanol dan nilai konversi substrat menjadi

etanol, yang tinggi sulit diperoleh. Usaha untuk meningkatkan nilai

tersebut telah dilakukan oleh beberapa penel iti, misalnya dengan

menggunakan cell recycle system. Namun, masalah lain timbul yai tu

pada flow rate yang tinggi banyak mikroba yang lolos (1).

Produktivitas etanol tinggi dapat dicapai an tara lain dengan

memperbanyak jumlah sel mikroba penghasil etanol (2), dan salah satu

cara yaitu dengan mengamobilisasi sel tersebut. Keuntungan lain dari

amobilisasi sel yaitu sel dapat dipakai ulang untuk jangka waktu

lama (+ 6 bulan), tanpa perlu dilakukan seed fermentation (3).

Amobilisasi sel mikroba khususnya mikroba penghasil etanol

telah banyak dicoba dengan berbagai metode yang menggunakan beberapa

macam matrik, seperti calcium alginate (4), K carrageenan (1, 2),

dan lain-lain. Polimer matrik hasil polimerisasi radiasi untuk

amobil isasi sel mikroba tersebut juga telah dicoba (5). Substrat

untuk fermentasi dengan menggunakan sel-sel amobil tersebut adalah

glukosa, sedangkan industri alkohol pada umumnya memakai substrat

molase.

Pada penelitian ini telah dilakukan amobilisasi sel S. cerevi­

siae dengan menggunakan matrik polimer hasil polimerisasi radiasi

yang disusun dari beberapa macam monomer dengan tujuan untuk

mengetahui pengaruh matrik polimer tersebut pada proses amobilisasi

sel khamir untuk menghasilkan etanol dengan menggunakan substratmolase.

602

BAHAN DAN METODE

Mikroorganis.e dan Medium. Mikroorganisme yang digunakan dalam

penelitian ini adalah S. cerevisiae. Sabouraud Dextrose Broth

(Difco) adalah medium untuk pertumbuhan biakan awalnya.

Peabuatan ~atrik Polimer. Matrik polimer yang digunakan terdiri

dari 2 macam campuran monomer. Pada percobaan pertama dipakai

campuran monomer 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) dan methoxypoly­

ethylene l'!:1Ycolmethacrylate (M-230G) dengan 4 macam konsentrasi.

Percobaan kedua menggunakan campuran monomer pertama yang ditambah

dengan polyethylene I'!:lycoldimethacrylate (14 G). Campuran monomer

tersebut kemudian diiradiasi dengan sinar gamma (60Co) dari iradia­

tor lateks dengan dosis iradiasi 10 kGy dan laju dosis 8,6575

kGy/jam pada suhu -78°C. Setelah diiradiasi, matrik polimer yang

terbentuk direndam dalam air suling sampai menggembung (swollen),

kemudian disterilkan dalam otoclaf selama 40 menit setelah dipotong

kecil-kecil dengan diameter + 5 em.

Proses Amobilisasi dan Fermentasi. Matrik polimer yang sudah

steril dimasukkan ke dalam media cair yang mempunyai komposisi

sebagai berikut: 13% molase; 0,15% yeast extrak; 0,25% NH4Cl; 0,1%

NaCl, dan 0,001% CaC12 dengan pH medium 4,8. Biakan awal sel khamir

diinokulasikan ke dalam medium dengan perbandingan biakan awal, ma­

trik polimer, dan medium berturut-turut 1 ml, 10 ml, dan 20 mI.

Biakan tersebut di inkubasikan dalam rotary shaker dengan kecepatan

120 putaran per men it, pada kondisi aerob. Penggantian medium

dilakukan tiap 24 jam. Waktu amobilisasi ialah 4 hari. Sel khamir

amobil dan sel bebasnya dicuci 2 kali kemudian ditambah 20 ml medium

cairo Fermentasi dilakukan pada suhu kamar (280 ± 20C) dengan kondi­

si goncangan. Waktu fermentasi 60, 120, dan 180 menit.

Penentuan Kadar Etanol. Kadar etanol d itentukan dengan £llcohol

dehydrol'!:enasemenggunakan UV method (Boehringer Mannheim).

Penentuan Kadar Air Matrik Polimer. Kadar air ditentukan dengan

mengeringkan matrik polimer yang sudah swollen dalam pengering pada

suhu GOoC, sampai tidak ada perubahan berat matrik tersebut.

Rancangan Percobaan. Percobaan yang dilakukan 2 macam dan ke­

duanya menggunakan percobaan faktorial dalam rancangan acak kelom­

pok.

603

Percobaan I: Macam matrik polimer = 5 taraf

Po : Tanpa matrik polimer (kontrol).

fr i ~~~rl~~~ll~ijr~~rl~~~~ijr~~lij~~~~~ rl~~~-~~ijijl

180 menit.

10% HEMA + 10% M-230G.

5% HEMA + 10% M-230G.

5% HEMA + 15% M-230G.

PII : Matrik polimer dari campuran

Pllr : Matrik polimer dari campuran

PIV : Matrik polimer dari campuranWaktu fermentasi : 3 taraf

Fr : 60 menit, F2 : 120 menit, dan F3 : 180 menit.

Ulangan percobaan : 3 kali.

Percobaan II: Macam matrik polimer : 5 taraf

Po : Tanpa matrik polimer.

PIG : Matrik polimer dari campuran

PrIG : Matrik polimer dari campuran

PrrIG : Matrik polimer dari campuran

PIVG : Matrik polimer dari campuranWaktu fermentasi : 3 taraf.

F1 : 60 menit, F2 : 120 menit, dan F3Ulangan percobaan : 3 kali.

untuk

untuk

untuk

untuk

Pr + 2,5% 14 G.

Prr + 2,5% 14 G.

Prrr + 2,5% 14 G.

PIV + 2,5% 14 G.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Efek penggunaan matrik polimer untuk proses amobilisasi pada

percobaan pertama dan kedua, sangat nyata menurunkan produksi etanol

(Tabel 1, 2, 3). Pada Tabel 2 terlihat kadar rata-rata etanol ter­

tinggi dari sel yang diamobilisasi, adalah dengan menggunakan matrik

polimer PIlI' Berdasarkan uji BNJ5% (Tabel 2) hasil tersebut sangat

nyata lebih rendah dari hasil rata-rata etanol sel bebasnya (tanpa

matrik polimer = PO)' Meskipun demikian jika dibandingkan kadar

etanol tertinggi yang diproduksi oleh sel yang diamobilisasi pada

matrik polimer PIlI dalam waktu 180 menit, dengan kadar etanol dari

sel bebasnya dalam waktu fermentasi yang sama, perbedaannya tidaklah

mencolok (± 10%). Kadar etanol sel bebas = 2,5022%, sedangkan kadar

etanol sel yang diamobilisasi = 2,2556% (Tabel 2). Amobilisasi

Zymomonas mobilis dengan menggunakan K carra~eenan sebagai matrik,

menghasilkan etanol dengan kadar 9% dalam waktu fermentasi 4 jam dan

hasil ini dicapai dalam waktu 46 jam oleh sel bebasnya (2). Menurut

YOSHI I (6), etanol pada proses amobilisasi dengan menggunakan matrik

photo-crosslinkable resin mencapai kadar 8,5% dalam waktu 5 jam,

604

sedangkan dengan menggunakan sistim konvensional kadar etanolmencapai 10 - 11% dalam waktu 70 - 76 jam. Hasil penplitian FUJrMURAdan KAETSU(5), menunjukkan etanol yang dihasilkan oleh sel khamir

yang diamobilisasi dengan matrik polimer yang disusun dari campuranmonomer hidrof il ik methoxypolyefulene ~lycol methacrylate (M-2.30-G)

+ 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) yang diiradiasi sinar gamma, ±10 ka­Ii lebih tinggi dari etanol sel bebasnya dalam waktu inkubasi 70 jamdan waktu fermentasi 1 jam. J ika dibandingkan dengan hasil percobaandiatas, hasil etanol dari sel yang diamobi lisasi dalam peneli tian

ini masih sangat rendah, meskipun menggunakan matrik poHmer daricampuran monomer yang hydrofilik. Hal ini mungkin disebabkan antara

lain daya menyerap ai r (hydrophil iei ty) dad campuran monomer yangdigunakan peneliti terdahulu lebih tinggi daripada yang dipakaidalam penelitian ini, sehingga matrik poUmer yang terbentukmempunyai struktur pori yang lebih baik. Menurut YOSHIDAdkk (7),kadar air dari matrik polimer hasil polimerisasi dari HEMA= 26%,sedangkan dari HEA= 45,9%. Pengekangan sel dalam proses amobilisRsi

antara lain dipengaruhi oleh kemampuan hidrasi atau )1iQrophi)iei tx

dari monomer (8). Matrik yang baik untuk pengekangan sel mikroorga­nisme antara lain mempunyai pori yang cukup banyak dan juga

bersifat elastis sehingga memungkinkan sel mikroorganisme dapattumbuh dan berkembang biak di dalamnya (9). Disamping i tu, sifatkimia dari matrik tidak membahayakan atau bersifat toksik bagi selkhamir dalam aktivitas untuk memproduksi alkohol (6).

Uji BNJ5%dalam Tabel 3, menunjukkan penggunaan matrik po­limer PIG' PUG' PlUG' dan PIVG tidak mempunyai pengaruh yangberbeda nyata pada proses amobilisasi untuk memproduksi etanol.Hasil rata-rata etanol tertinggi diperoleh dari sel amobU yang

menggunakan matrik polimer PI IIG dengan waktu fermentasi 180 menityaitu 1,9597%. Jika dibandingkan dengan kadar etanol dari sel

bebasnya (PO)' kadar ini lebih rendah ± 18%. Kadar etanol dari selbebas = 2,3069%. Monomer 14G adalah monomer hidrofilik yang mempu­

nyai 2 gugus fungs i yang d i tambahkan dalam campuran monomer IIEMA+

M-230G yang masing-masing mempunyai 1, gugus fungsi, sehi ngga diha­rapkan akan membentuk matrik polimer yang lebih baik untukmengamobilisasi sel khamir. Monomer yang mempunyai 2 gugus f\Jngsidigunakan dalam polimerisasi radiasi akan membentuk jaringan yang

G05

·disebabkan karena crosslinkin~ (crosslinkin~ network) (9). Namun,

penambahan monomer 2,5% 14G dalam campuran monomer BEMA + M-230G

dalam percobaan II ini, tidak mQnghagilkan matrik polimar YAn~ lebih

baik untuk proses amobilisasi sel S. cerevisia.e, bahkan etanol yang

dihasilkall sedikit lebih rendah dari percobaan I. Hal j ni mungk in

disebabkan komposisi monomer yang dipakai dalam penelitian ini belum

sesuai untuk membentuk matrik polimer yang baik untuk mengamobilisa­

si sel khamir penghasil etanol. Perbedaan waktu fermentasi sangat

nyata dalam produksi etanol baik pada percobaan I maupun percobaan

II. Dari uji BNJ5% (Tabel 2, 3) terlihat bahwa Makin lama waktu fer­

mentasi, hasil rata-rata kadar etanol yang dihasilkan Makin

meningkat. Meskipun demikian, berdasarkan uji BNJ5% dari tabel-tabel

tersebut, terlihat etanol yang dihasilkan sel yang bebas dalam waktu

fermentasi 120 menit dan 180 meni t tidak berbeda nyata, bahkan pada

percobaan II (Tabel 2) kadar etanol yang dicapai dalam waktu

fermentasi 120 menit lebih tinggi sedikit daripada dalam waktu 180

men it. Kemungkinan hal ini disebabkan sel khamir pada saat itu telah

sampai pada fase stationall. Menurut YOSHII (6) pada fase ini sel

khamir yang diamobilisasi masih terus berkembang biak.

Kadar air matrik polimer tertinggi pada percobaan I adalah

PIlI' yaitu 96,2356% dan pada percobaan II adalah PII1G yaitu91,6286% (Tabel 4). Kadar etanol tertinggi yang dihasilkan oleh sel

amobU adalah dengan menggunakan matrik polimer tersehut. Kadar air

yang tinggi dari matrik polimer menyebabkan lebih ban yak makanan/

nutrient melalui medium yang masuk ke dalamnya, sehingga akan lebih

ban yak tempat tersedia bagi sel khamir untuk tumbuh dan berkembang

biak (6).

KESIMPULAN

Dari hasil analisis statistik, ternyata rata-rata kadar etanol

dari sel S. cerevisia.e yang diamobilisasi lebih rendah dllripada sel

yang tidak diamobilisasi (sel bebas). Kadar etanol tertinggi hasil

amobilisasi sel tersebut, adalah dengan menggunakan matrik polimer

PIlI dalam waktu fermentasi 180 menit. Dalam waktu yang sama, hasil

ini sedikit lebih rendah (± lO%) dari hasil etanol sel bebllsnYIl.

606

Penambahan monomer 2,5% 14G pada campuran monomer HEMA + M-230­

G pada pembentukan matrik polimer, tidak menghasilkan matrik polimer

yang lebih baik untuk proses amobilisasi sel khamir tersebut di

atas.

Matrik polimer yang mempunyai kadar air tertinggi adalah yang

terbaik untuk mengamobilisasi sel S. cerevisia.e yang dipakai dalam

peneli tian ini.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepada Sdr. Almaida dan Sdr.

Anasthasia S.D. yang telah membantu terlaksananya penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. JAIN, W.K., TORAN-DIAZ, I., and BARATTI, J., Continuous producti­

on of ethanol from fructose by immobi lized growing cells of

Zymomona.s mobilis, Biotechnol. and Bi?eng. XXVII (1985) 613.

2. LUONG, J.H.T., Cell immobilization in K- carrageenan for ethanolproduction, Biotechnol. and Bioeng. XXVII (1985) 1652.

3. NAGASHIMA, M., AZUMA, M., NOGUCHI, S., INUZUKA, K., and SAMEJIMA,H., Continuous ethanol fermentation using immobil ized yeastcells, Biotechnol. and Bioeng. XXVI (1984) 992.

4. BAJPAI, P.K., and MARGARITIS, A., Effect of temperature and pH onimmobilized Zymomona.s mobilis for continuous production ofethanol, Riotechnol. and Bioeng. XXVII I (1986) 824.

5. FUJIMURA, T., and KAETSU, I., Growth of yeast cells immobilized

with porous swelling carriers produced by radiation polymeriza­tion, Appl. Biochem. and Biotechnol. B (1983) 145.

6. YOSHII, H., A bioreactor system: The development of continuous

alcohol fermentation by immobilized. yeast cells, Head of Pro­

cess Engineering Development Laboratories, Central Research Lthboratories, Ajinomoto Co., Inc., Tokyo, Japan. Presented at 7

Malaysian Microbiology Symposium (Progress in Microbial Bio­technology), Malaysia, November 18 - 20 (1984).

7. YOSHIDA, M., KUMAKURA, M., and KAETSU, I., Immobilization of en­

zymes by radiation-induced copolymerization of 2-hydroxyethyl

G07

methacrylate and other hydrophylic or hydrophobic comonomers,J. Macromol. Sci.-Chem., A 14 (4) (1980) 555.

8. KUMAKURA,M., and KAETSU,I., Influence of hydration ability ofmonomer on immobilization of microbial cells by radiation poly­merization, Journal of Applied Polymer Science, 28 (1983) 2167.

9. FUJIMURA, T., and KAETSU, I., Nature of yeast cells immobilizedby radiation polymerization. Acti v i ty dependence on the watercontent of polymer carriers, Biotechnol. and Bioeng. XXIX(1987) 171.

608

Tabel 1.Ringkasan sidik ragam kadar etanol has! 1fermen tas iS.

cerevisiae dalam media molase

F. tabe1

Sum'ber

F. hi tung5%

1%

Percobaan I

**E~ek .atrik po1imer~oyOOI~62y704y04

**Efek waktu fermentasi 86,69373y335y42

Interaksi

O,9977tn2y283y20

Percobaan II

**Efek matrik polimer32,01752,704,04

**E felt waktu ferlllentasi 164 y986R3,335y42

Interaksi

1y1?28tn2y28

3,20

tnberbeda nyata pada PO,Ol

tldak berbeda nyata

609

610

Tabel 2. Kadar etano1 (~) hasil fermentBsi S. cerevisiae yanq diamobi­1 isasl dengan beberapa matrik pot imer (P) dalam waktu fermen-tas i ,,'

FlF2F3Xp

Po

1.73822.55072,50222,2637

PI

0,81931.34571,87061.3452

Pn

1.02571,74392,17161,6471

PUI

1.23121,80522.25561.7640

PIV

0.83441.43331,75891.3422

XF

1,12981.77582,1118

P

F

BNJ5%

0.28/140.1875

Tabel 3. Kadar et"no! (%) hasil fermentasi S. cerevisiae yang diamobi-I isasi dengan beberapa matrik pol i;er (p) dalam waktu fermen-tasi

Fl

FFXp23

Po

1,62042,11772,30692,0150

PIG

0,86221,44761,91991,4099

PlIG

0,81801,37861,85231,3496

PIlIG

0,83941.44831,95971,4158

PIVa

0,78601,39421,87721,3525-- XF

0,98521,55731,9832

P

F

BNJ5%

0,20690,1363

611

612

Tabel 4. Kandungan air matrik polimer yang digunakan untuk amobilisasiS. cerevisiae dan komposisi bahan penyusun matrik pol imer

Macalll Kompos1si monomerAirKandungan

I118.trlk

sulingair IIIIltrik

MacaIII'

KottaentraTotalI

po11111er-(%)pol1mer

monolller

a1 (%)konaentra. (%)6i monomer (%)

PI

HEMA10

M-23-G

1525

7589,5463

PII

BEMA10

H-23-G

1020

8092,5701

PUI

HEKA.5

K-23-G

10158596,2456

PIV

HEMA5

M-23-G

1520

8092,6327

PIa:

HEMA][0

M-23-0

1527,572,589,1934

14 G

2,5

PUG

HEMA10

M-23-G

1022.577,588,9800

]4 G

2,5

PIIIG

HEMA5

M-23-G

1017,582,591.6286

14 G

2,5

PIVG

HEMA5

K-23-G

1522.577.589,5600I 14 G 2,5

DISKUSI

NI KHAM

1. Mengapa Anda tidak melanjutkan percobaan tersebut sehingga ma­

triks dipakai secara berulang-ulang sehingga Anda dapat menge­

tahui dimana batas produksi maksimal ?

2. Menurut Anda kombinasi polimer yang mana yang· lebih memenuhi

syarat untuk dipakai sebagai matriks dan bagaimana syarat-syarat

yang harus dipenuhi untuk membuat matrikas yang optimal ?

MARIA LINA

1. Percobaan ini memang belum dipakai berulang-ulang karena pemakai­

an berulang tentunya tidak akan menaikkan kadar etanol, bahkan

pemakaian berulang dalam jangka waktu yang lebih lama kandungan

etanol cenderung menurun.

2. Mungkin yang Anda maksud di sini adalah komhinasi monomer. Komhi­

nasi ini dapat bermacam-macam antara lain monomer hidrofilik

sehingga menghasilkan matrik polimer yang berpori. Monomer yang

mempunyai 1 gugus fungsi dan monomer yang mempunyai 2 gugus fung­

si kemungkinan akan membentuk jaringan yang disebabkan crosslink­

in~-nya (crosslimkin~ network) sehingga matrik mempunyai kekuatan

yang baik terhadap daya metrik. Syaratnya antara lain macam mono­

mern dan konsentrasinya, serta dosis radiasi dan suhu untuk ira­

diasinya.

SUHARNI SADI

Mengapa etanol dari fre~ceU lebih tinggi daripada sel imobil isasi?

MARl ALINA

Hal tersebut disebabkan karena ~atrik polimer yang digunakan untuk

proses imobilisasi ini kurang baik, kemungkinan komposisi bahan ",

penyusunnya kurang sesuai, sehingga tidak banyak sel khamir yang

dapat diamobilissai, karena tingginya kadar etanol dapat ditentukan

613

oleh banyaknya sel khamir. Matrik yang baik adalah antara lain yang

mempunyai struktur yang baik, tidak bersifat racun, mempunyai daya

elas~~saas YAfI~ bll.ik gQhinaall. mgmUnaUinUlln Ml kl\.~.Mir daval lumbuhdan berkembang bi:tk di dalamnya, dan mempunyai kekuatan yang baik

terhadap daya mekanik sehingga dalam" proses amobili sasi di lakukanpenggoyangan (agitasi) matrik tidak akan pecah dan sel khamir dapatberada tetap di dalamnya.

614