Proceding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

PENGEMBANGAN DAN APLIKASI BIOPOLIMER UNTUK BIOPROSES.

Sumaryanto 2

ABSTRAKPENGEMBANGAN DAN APLIKASI BIOPOLIMER UNTUK BIOPROSES. Biopolimer seperti alginat, karagenan,

khitosan, agar dan karboksimetilselulosa dapat dikembangkan untuk matrik imInobi.1isasi dari enzim atau Bel untuk produksiantibiotika, ethanol, asam-asam organik, enzim, produk biotransformasi dan juga dapat digunakan untuk proses penangananlingkungan. 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 proseskontinyu, katalisa reaksi dengan ketergantungan kofaktor, scale up mudah dan menghindari kerusakan Bel. Packed colom reaktor, upflow reaktor, kaskade bioreaktor adaIah boreaktor spesiflk yang biasanya digunakan pada bioproses menggunakan biopolimer. Padapenelitian ini digunakan Lactobacillus delbrueckii NRRL-B44S dilakukan penjebakan dengan alginat biopolimer dapat digunakanuntuk produksi asam laktat, manik-manik dari aIginat biokatalis dapat digunakJln ulang hingga 30 kali fermentasi tanpa terjadinyapenurunan aktifitas dan dengan re.1atif produktifitas yang konstan. Dengan Bacillus subhlis di.1akukan penjebakan dengan alginatbiopo.1imer dapat digunkan untuk produksi enzim protease. Disamping itu bahan non biopo.1imer seperti polyurethan dapat jugadigunakan namun dapat menurunkanjumlah Bel pada awalnya karena terjadinya CO2 yang terbentuk dari proses polikondensasi selama

terbentuknya poliurethan.

ABSTRACTDEVELOPMENT 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 cellsfor producing antibiotics, ethanc~, orgarlic acids, enzymes, amino acids, biotransformation pr'oducts and also can be used inenvirorunental bioprocesses. For some time, the immobilization of enzymes and whole cells has proven to be a practical methode ofobtaining biocatalytic systems. The immobilization of whole cells has particular merit where the reaction rell."'red a multienzyme systemor where the enzyme isolation is too expensive. The several advantages cells or enzymes immobilization Sl' .dB simple product isolation,reuse of biocatalyst continuous processes, catalyze cofactor dependent reactions, easy scale up and avoid cells disruption. Packed columnreactor, up flow bioreactor, cascade bioreactor are spesific bioreactor which are usually used for processes using biopolymer. Thisexperiment was shown the entrapment with alginat bioplymer of Lactobacillus delbrueckii NRRL-B445 can be used for lactic acidproduction, beads of alginat biocatalysts can be reused up to 30 run of fermentation without decreasing activity dan with relativeconstant productitvity. Using Bacillus subtilis entraped with alginat bioplymer can also be used to produce protease enzyme. Otherwise"';"0 nnlwrethane cause decreasinl! of initial cells number because ofC~ from the polycondensation during polyurethane formation.

PENDAHULUAN relatif lama tanpa diperlukan pembuatanstarter.

Bioproses merupakan gabungan dariaktifitas interdisiplin antara lain kimia, Secara teknis telah diterapkan baikbiologi dan teknologi proses maupun dalam penelitian skala laboratorium maupunteknologi pertanian dalam proses produksi pilot penerapan taknik irnnlobilisasi yangbaik secara konventional maupun teknologi diantranya mcnggunakan bioplolimer dalamyang lebih maju. bidang industri bahan makanan dan famlasi,

Pada tahun 1974 Chibata sebagai beberapa diterapkan sebagai jasa penangananpelopor dalam memulai penelitian lingkungan (4]penggunaan bahan biopoiimer untuk bioprosesyaitu dengan menggunakan bahan adsorpsi Chibata (1974) menggunakandan jebakan (entrapment) melakukan biokatalis Escherichia coli yangimmobilisasi biokatalis (2] dan dilanjutkan diimmobilisasi dengan biopolimer Carageenanoleh beberapa penelitian lanjutan seperti Klein untuk memproduksi L-Asam Asparagin.dan Vorlop (6,7] dengan basil dapat Untuk suatu bioproses satu tabap dapatmemberikan densitas bioakatalis yang tinggi digunRkan immobilsasi biokatalis matidisamping proses dengan konvensional serta sedangkan untuk immobilisasi biokatalisdapat digunakan secara berulang dalam waktu hidup diperlukan multitahap yang lebih

I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 19962 Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Jakarta

197

komplex, yang disitu memerlukan terjadinyaregenrasi koenzim, seperti NAD, FAD daDlinnya.

Paracoccusdenitrificans

DenitriflkasiAiginat

Bacillussubtilis

~

AmylaseAlginat-

Carrageenan

L-IsoleucineSerratiamarcecens

--~

Carrageenan

L-SorboseAcetJbacteysuboxvt!ans

Carrageenan

Bacillussubtilis

Amylase

Bidang industri yang menerapkanimmobilisasi biokatalis antara lain:0 Pemisahan rantai beta lactam antibiotika0 Pemisahan rantai oligosakarida daD

disakarida0 Isomerisasi glukosa menjadi fruktosa0 Rasemasi pada asam amino0 Pemisahan dari laktosa menjadi glukosa

daD galaktosa dengan beta galaktosidase

Chitosan-Polyphosphat

Escherechiacoli

L-Serin Indo!

Beberapa pertimbangan penggunaanbahan untuk immobilisasi biokatalis daDpenggunaan biopolimer didasarkan atasbeberapa keuntungan maupun kerugian dalam

aplikasinya.

Chitosan -alginatAgar

Glucose/ethanolAsam laktat

Cellulosetriacetat

Saccharomycer cerevisiaeLactobacillusdelbrueckii

Enzyme

T ABEL 1: Beberapa keuntungan ataupunkerugian penggunaan biopolirner sebagai

bahan irnrnobilisasiBeberapa teknik immobilisasi dapat

menggunakan biopolimer dalampengembangan daD aplikasinya baik dalambioproses maup..n (ienanganan lin~~ung1\rI Kerugian

I Stabilitas rendah

Keuntun anPersyaratan reaksiketatTidak ada reaksisam inSubstrat spesiflk

Metoda paling sederhana adalahadsorpsi yang pada dasamya adalah adanyakekuatan fisik (Van der Waals strength)misalnya aplikasi Adsorpsi Clostridium padaSelulosalHemiselulosa

Enzim mahal

Sering denganlarutan yang sangatenter

Disamping metoda tersebut terdapatpula metoda lkatan ion (ionic binding). Halini berdasarkan pada ion atau heteropolar,adanya ikatan elektrostatik antarabiokatalisator daD bahan material pengikat.Heteropolar pada suatu polianionik matrix(cation exchange) terikat pada biokatalisator,contohnya adalah ikatan katalase pada DEAEselulosa, Aminoasilase pada DEAE Selulo&1,Azotobacter pad.1 Cellex E (Selulosa).

Bershabatline.kungan

Pengembangan dan aplikasibioplimer sebagai bahan (Carrier) untukimmobilisasi yang pada umumnya melaluimetoda penjebakan (entrapment)

TABEL 2: Beberapa pengembangan danaplikasi bioplolimer yang digunakan untuk

bioproseslkatan kovalen (covalen binding)

merupakan metoda ikatan bersama terikatpada atom, yaitu antara biokatalisator dengannlatrix. Sebagai grup fungsional untuk ikatankovalen dapat digunakan alpha daD beta grupamino, karbox-yl, sulfbydril, hydroxyl,imidazol dn renol. Beberapa grup sep~rfigugus SH, beta amino cocok untuk bahanyang langsung reaksi, grup lain seperti OHharus diaktitkan dulu.Bioplimer yang seringdigunakan dalam ikatan kovalen adalahLaktatoksidase pada selulosa, Bacillus subtilispada agarosa, Azotobacter sp pada selulosa

--

Biopolimer Biokatalis

---Aiginat Acetobacter

spLactobacillusdelbrueckii

---

AJginat

--Bioreaksi/BioprodukAsaroglukonatAsaro laktat

-

Alginat Bacillusme,,:aterium

Protease

Metlta.nAlginat Methanosarc;na barker;

Pe'"Uarzian

Dhe-,!ol_-

Can..:,idt?trap/calis

Alginat

19,11

dan Micrococcus Iuleus padaCarboxymcthy Ice" ulose.

Metoda yang paling banyak ditelitidan diaplikasikan dengan menggunakanbiopolimer adalah metoda jebakan(entrapment), yaitu biokatalis dijebak dalamsuatu bahan matrix. Dengan masihdimungkinkannya substrat untuk berdifusischingga terjadi kontak antara biokatalisdengan substrat. Contoh penggunaan teknikini yaitu dengan beberapa metoda khususscperti :0 Pendinginan gel dengan gelatin0 Pcmbentukan gel sccara penetesan/drop

dengan aIginat dan carageenan0 Pcngendapan dengan sclulosa asctat.0 Penurunan temperatur dengan agar.

Bcberapa teknik immobilisasi lainseperti metoda ikatan silang (cross linking)maupun jebakan dengan polikondensasisepeni polyurethan tidak dapat dipergunakanbiopolimer sebagai kariernya.

Untuk produk fitofannaka teknik inimulai diteliti dan diaplikasikan untukproduksi steroid maupun metabolit sekunder,juga untuk produk biotransformasi sepertipembuatan sirop HFS (high fructose syrup)dari glukosa dengan immobilisasi set yangmengandung enzim glukoseisomerase, bahkandi USA sudah diproduksi sccara komersial.

Banyak peneliti mengembangkanteknik immobilisasi dengan menggunakanmaterial matrix, baik biopolimer maupunlainnya sepeni poliurethan, resin dan silikon.Disamping itu juga dilakukan pengembanganmodifikasi sepeni coating alginat,mikrokapsul, polyurethan coating alginat,fiber immobilisasi.Proses pembentukan biopolimer denganaIginat adalah sebagai berikut:

Pada penelitian ini biopolimer alginatdigunakan untuk produksi asam laktat denganLactobacillus delbrueckii NRRL-B44S.

Kinetika untuk fermentasi asam laktat adalah

dP/dT -aX/dt + bX

sedangkan reaksi biokimia dari SUbStr3tglukosa menjadi asam laktat adalah:

Glucose + 2P + 2ADP -2 Asaro laktat +2ATP+2H20

CARA KERJA

BAHAN

Strain Lactobacillus delbrueckiiNRRL-B44S diperoleh dari AgricultureResearch Service, North University Street,Peonia, Illinois USA.

Medium menggunakan MRS:Yangkomposisinya terdiri dari glukosa 10 g,protease pepton 10 g, ekstrak daging 5g,tween 80 sebanyak Ig, ammonium sitral 2g,nalriumaselat 5& rnagnesiumsulfal 0,005g,dinalriumhydrogenfosfal2g dan aquadeslhingga lliler.

Untuk produksi digunakan medium Pyang komposisinya terdiri alas gJukosa 109,ekstrak ragi 5g, anunoniumsulfat 0,5g,magnesiumsulfatO,3g, kaliumdihydrogenfosfal0,2g dikaliumhydrogenfosfat O,2g daDaquadest hingga 1 liter.

Bahan Polimer menggw1akan Alginat

,

""'"'1/;;:.:1'"

..

Teknik inunobilisasi dapat dilihatsecara skematis pada gambar 2, suspensibiokatalis daD natrium aJginat diteteskan pada

larutan CaCl2 sehingga terjadi polimerisasigel kalsium alginat.Setelah terjadi polimerisasi, basil reaksidibiarkan selama 30 menit agar terdapatmanik-manik dcnun konsistcnsi yang, kuat.Analisis glukosa, asarn laktat daD produk lainmenggunakan HPLC (High PerfonnanceLiquid Chromatographie). Penghitungan danpengarn:.tan sel menggunakan hemacytometerdan mikroskop.

199

KESIMPULAN

e"~~

Gambar 2: Teknik immobilisasi biokatalisdengan alginat

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dengan menggunakan bioreaktor 8STR(Batch Stirrer Tank Reactor) dan dilakukansistem bath berulang hingga 30 kali dengankondisi fennentasi :Medium MRS, glukosa50/0, biopolimer alginat untuk immobilisasi,beban biokatalis 300/0, pH 6.00, temperatur 4S

derajat C-elci~. ;Didapa~nrhasil .seperti, ' "

tertera pada (Jambar; 1 ,'bahwa; pr.b~

produksi masih t~R ~rjalan., dengan baikdengan produksi asam laktaf' ~lan'la '3<7 b'a'tchfennentasi sebanyak 72% hingga '92%'denganproduktivitas an tara 0,76 hingga 1,79 g/l.h.

Densitas biokatalis stabil dan bahkanmeniogkat sepanjang proses. hal inidimungkinkan karena biokatalis yang berupasel Lactobacillus delbrueckii tersebut dapattumbuh didalam biopolimer alginat.

Alginat yang dikernbangkan rnenjadikarier untuk proses penjebalr.an selLactobacillus delbrueckii dapat diaplikasikanuntuk bioproses yaitu rnernproduksi asarnlaktat. Keuntungan proses ini adalah antaralain dapat dipergunakar; secara berulang,hingga 30 kali batch ferrnentasi dengan tanparnernbuat starter yang bani, densitas sel cukuptinggi dengan produktivitas yang tinggi.

Pengernbangan biopolimer dapatbervariasi baik jebakan bentuk manik-manik,maupun manik yang dilapisi lagi denganalginat ataupun bahan lain.

Aplikasikan untuk bioproses selainuntuk produksi asam laktat dapat juga untukproduksi asam organik lainnya, enzim,antibiotika dan reaksi enzimatik lainnya.daJam penelitian telah juga digunakan untukbioproses dalam penangaJ1an lingkungan.

Pada penelitian ini digunakan alginatdaD rnerupakan nlatrix yang relatif sesuaiuntuk proses produkcsi asarn laktat, karenateknik sederllalla dan dapat digullakan hinggabeberapa batch.

Beberapa peneliti rnenggunakanbermacam jenis bioplirner dan dikernbangkansesuai dengan strain maupun bahan yang akandj~uksi dalam bioproses.Oi'~I'hdonesia aplikasi teknik ini telah rnulaicfikein.bangkan narnun masih pada penelitianIkala Jaboratoriurn..DAFTAR PUSTAKA.

1

2.

3.

4.

5.

Gambar 3: Produksi asam laktat denganLactobacilus terimmobilisasi biopolimer.

6.

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 containingmicrobial cells preparation and enzymaticproperties, Applied Microbiology, 27, 878-885.CRUEGER, W. and A. CRUEGER (1984)Biotechnology: A Textbook of IndustrialMicrobiology. Sinauer Associates. Inc.Sunderland. 124-125.HACKEL, U. et all (1975) Immobilizationof microbial cells in polymeric matrices.European Journal Applied Microbiology, I,291-293.HARTMEIER W. (1986) ImmobjlisierteBiokatalysatoren. Springer Verlag. Berlin.23-49.KLEIN, J. and K.D. VORLOP (1986)Immobilization T echniquesCells, Comprehe

200

7

nsive Biotechnology. The Principle Appli-cation arid Regulation of BiQtechnology in

Industry, Agriculture and Medicine. Editedby Moo- Young. M. Pergamon PressOxford. New york. Toronto. Sydney.Frankfurt, 203-224.VORLOP, K.D., and J. KLEIN, (1983)New developments in the field of cellimmobilization formation of biocatalysts byionotropic gelation. Enzyme Technology.Edited by Lafferty, R.M., SpringerInternational. New york, 219-235.

201