Praktikum Immobilisasi

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

BAB I PENDAHULUAN

I.1

Latar Belakang Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal. (Wikipedia Indonesia) Fermentasi dilakukan untuk menghasilkan suatu produk bermanfaat baru memiliki

bermacam – macam metode dan bermacam – macam bakteri serta jamur dalam penggunaannya. Salah satu dari metode fermentasi ialah immobiliasi sel. Metode immobilisasi sel meliputi berbagai cara, yaitu: cara fisik meliputi penjebakan atau pembungkusan dengan gel alginat, cara kimia meliputi teknik pengikatan pada bahan pendukung melalui ikatan-ikatan ionik, kovalen, dan ikatan silang (cross linking). Metode yang dipakai dalam praktikum kali ini ialah immobilisasi sel secara fisik dengan menggunakan bakteri Acetobacter aceti. Adapun kelebihan dari metode ini yaitu melindungi sel dari kondisi buruk lingkungan sekitar, proses separasi menjadi lebih mudah dan cepat, meningkatkan produktifitas sel karena dapat digunakan berulang kali, serta memudahkan pemisahan sel dengan produknya.

I.2

Tujuan Praktikum 

Memahami dan menguasai prosedur penggunaan sel terimmobilisasi dalam proses fermentasi



Memahami tipe reactor yang tepat untuk sel terimmobilisasi



Memahami karakteristik reaktor batch dan kontinyu yang menggunakan sel terimmobilisasi



Mengevaluasi kinerja reaktor “Packed Column”



Memahami dan menguasai prosedur pembuatan sel terimmobilisasi



Memahami karakteristik matriks pendukung sel terimmobilisasi

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 1

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

BAB II DASAR TEORI II.1

Sel Immobilisasi Teknologi immobilisasi memegang peranan penting dalam perkembangan proses biokimia

dalam suatu boreaktor. Sel yang mengalami immobilisasi (immoblized mivrobial cells) telah banyak diterapkan dalam fermentasi misalnya produksi alkohol, asam amino, antibiotik atau pada degradasi polutan limbah cair. Immobilisasi sel adalah suatu proses untuk menghentikan pergerakan dari molekul sel atau enzim dengan menahannya pada suatu matriks. Kelebihan immobilisasi sel dibandingkan dengan sel bebas (free cells) adalah 1. Melindungi sel dari kondisi buruk lingkungan sekitar (suhu, pH, pelarut organik, racun). 2. Proses separasi menjadi lebih mudah dan cepat. 3. Meningkatkan produktifitas sel karena dapat digunakan berulang kali 4. Memudahkan pemisahan antara sel dengan produk. Mempertahankan stabilitas sel. Teknik immobilisasi sel dapat digambarkan sebagai pembatasan gerak fisik atau lokalisasi dari sel pada suatu wilayah ruang dengan preservasi aktivitas katalis yang diinginkan. Keunggulan Teknik immobilisasi sel yaitu dapat meningkatkan produktivitas volumetrik, meningkatkan konsentrasi produk dalam aliran keluaran, mampu menurunkan konsentrasi substrat dalam aliran keluaran, dan mencegah terjadinya wash out pada aliran keluar produk. Terdapat empat macam teknik immobilisasi yaitu pengikatan pada permukaan, penjebakan dalam dalam matriks berpori, penahanan di belakang penghalang dan agregasi sel Dalam penelitian ini digunakan metode immobilisasi penjebakan dalam matriks berpori (entrapment in porous matrix) yang dilakukan dengan menggunakan K-Karaginan, sebagai supporting matrice karena Indonesia kaya akan hasil laut yaitu alga merah sebagai bahan dasar dari ê-Karaginan, sehingga bernilai ekonomis. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian tentang “Produktivitas Etanol dari Molases dengan proses fermentasi kontiyu menggunakan Bakteri Zymomonas Mobilis Dengan Teknik Immobilisasi Sel K-Karaginan dalam Bioreaktor Packed Bed”.

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 2

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

Teknik immobilisasi sel meliputi penempelan (attachment), penggumpalan (aggregration), panangkapan (entrapment) dan peyalutan/enkapsulasi (encapsulation). Jenis matrik yang dugunakan ada yang bersifat sintetis seperti poliakrilamid dan poliuretan. Matrik sintesis ini mudah dan cepat serta tahan lama tetapi bersifat karsinogenik sehingga jarang digunakan untuk produksi metabolit pangan. Jenis matrik alami seperti alginat, karaginan dan agar lebih aman dan murah. Salah satu contoh dari penerapan immobilisasi sel adalah produksi etanol dari Saccharomeyes cereviseae menggunakan matriks kalsium alginat. Alginat merupakan heteroplisakarida dengan rantai linier dari asam D-manurat dan asam L-guluronat,Bila larutan natrium alginat dicampur dengan CaCl2 maka segera terbentuk gel yang tidak larut dalam air. Reaksi antara natrium alginat dengan CaCl2 dapat dimanfaatkan dalam imobilisasi sel-sel ragi yag merupakan biokatalis dalam upaya memproduksi etanol dari molase secara fermentasi. Fermentasi etanol dengan immobilisasi sel memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan cara konvensional. Contoh lain adalah immobilisasi enzim kitin deasetilase. Enzim kitin deasetilase ditambahkan ke dalam larutan natrium alginat 3% dengan perbandingan 1 : 2 lalu diaduk merata. Untuk membuat beads, larutan (campuran enzim-alginat) diambil dengan menggunakan jarum suntik (syringe) lalu diteteskan pelan-pelan ke dalam larutan CaCl2 0,2 M. Setelah selesai, pwngadukan diteruskan dalam shaker bath selama 4 jam, beads yang terbentuk kemudian disaring dan dicuci dengan larutan CaCl2 0,03 M sebanyak 3 kali lalu disimpan di lemari pendingin, siap untuk digunakan. Immobilisasi enzim dengan Ca-alginat kitosan dilakukan dengan cara melapisi enzim yang terjerat dengan Ca-alginat (komposisi terpilih) dengna menggunakan larutan kitosan 0,5% pada pH 7. Immobilisasi sel merupakan perkembangan bioteknologi yang dapat digunakan sebagai salah satu langkah dalam mengatasi masalah pangan di dunia. Immobilisasi sel menunjukkan efisiensi yang bagus dalam bidang fermentasi hingga harapannya nanti dapat memenuhi kebutuhan pangan dunia dengan cepat.

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 3

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011 II.2

1A TK 2011

Reaktor Kolom Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung,

baik itu reaksi kimia atau nuklir dan bukan secara fisika. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energi seperti panas (contoh energi yang paling umum). Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia, jadi terjadi perubahan bahan bukan fasa misalnya dari air menjadi uap yang merupakan reaksi fisika. II.3

Asam Asetat Gugus asetil yang terdapat pada asam asetat merupakan gugus yang penting bagi

biokimia pada hampir seluruh makhluk hidup, seperti gugus asetil yang berikat pada koenzim A menjadi senyawa yang disebut Asetil-KoA, merupakan enzim utama bagi metabolisme karbohidrat dan lemak. Namun demikian, asam asetat bebas memiliki konsentrasi yang kecil dalam sel, karena asam asetat bebas dapat menyebabkan gangguan pada mekanisme pengaturan pH sel. Berbeda dengan asam karboksilat berantai panjang, asam asetat tidak ditemukan pada trigliserida dalam tubuh makhluk hidup. Sekalipun demikian, trigliserida buatan yang memiliki gugus asetat, triasetin (trigliserin asetat), adalah zat aditif yang umum pada makanan, dan juga digunakan dalam kosmetika dan obat-obatan. Asam asetat diproduksi dan diekskresikan oleh bakteri-bakteri

tertentu,

misalnya

dari

genus

Acetobacter

dan

spesies

Clostridium

acetobutylicum. Bakteri-bakteri ini terdapat pada makanan, air, dan juga tanah, sehingga asam asetat secara alami diproduksi pada buah-buahan/makanan yang telah basi. Asam asetat merupakan produk katabolisme aerob dalam jalur glikolisis atau perombakan glukosa. Asam piruvat sebagai produk oksidasi glukosa dioksidasi oleh NAD+ terion lalu segera diikat oleh Koenzim-A. Pada prokariota proses ini terjadi di sitoplasma sementara pada eukariota berlangsung pada mitokondria. (Wikipedia Indonesia) II.4

Acetobacter aceti Acetobacter adalah sebuah genus bakteri penghasil asam asetat, ditandai dengan

kemampuannya mengubah etanol (alkohol) menjadi asam asetat (asam cuka) dengan bantuan Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 4

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

udara. Ada beberapa bakteri dari golongan lain yang mampu menghasilkan asam asetat dalam kondisi tertentu, namun semua anggota genus Acetobacter dikenal memiliki kemampuan ini. Bakteri-bakteri Acetobacter dikenal penting secara komersial, antara lain karena 

dapat digunakan dalam produksi cuka (dengan sengaja mengubah etanol pada anggur menjadi asam asetat



namun dapat juga merusak anggur, dengan menghasilkan asam asetat atau etil asetat, yang merusak rasa anggur tersebut.

Pertumbuhan Acetobacter pada anggur dapat dicegah dengan sanitasi yang efektif, pemisahan udara dari anggur secara sempurna, maupun penggunaan secukupnya sulfur dioksida sebagai pengawet pada anggur. Di laboratorium, Acetobacter dikenali dengan mudah dengan pertumbuhan koloninya di medium yang mengandung 7% etanol, dan ditambahi kalsium karbonat secukupnya untuk memburamkan medium sebagian. Ketika koloni tersebut membentuk asam asetat yang cukup, kalsium karbonat kemudian melarut sehingga terbentuk daerah bening yang jelas pada medium. Referensi : Madigan M; Martinko J (editors). (2005). Brock Biology of Microorganisms (edisi ke-11th ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-144329-1. Dalam Wikipedia Indonesia

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 5

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

BAB III METODOLOGI III.1

Alat dan Bahan

A. Imobilisasi Sel 1. Bahan a. Satu tabung biaka murni Acetobactrer aceti berumur 2-4 hari. b. Air garam steril 500 mL c. Media aktivasi / starter dengan komposisi:  Bacto pepto 2%  Ekstrak ragi 0,5%  Glukosa 2%  Aquadest d. Natrium alginate 8% 150 mL e. Larutan CaCl2 2% dalam 4 labu Erlenmeyer 250 mL 2. Alat a. Erlenmeyer 250 mL b. Spuit (perangkat suntik) steril c. Pembakar spirtus

B. Evaluasi Kinerja Sel Imobilisasi Dalam Reaktor Kolom 1. Bahan a.

Imobilisasi sel Acetobacter aceti.

b. 500 mL media produksi asam asetat steril untuk uji mikroba Acetobacter aceti dengan komposisi :  Ethanol 7-10%  Glukosa 2 %  NH4NO3 2 %  KH2PO4 0,1 %  MgSO4.7H2O 0,02 % Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 6

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

2. Alat a. Satu

perangkat

reaktor

packed

column

c. Pembakar spirtus d. pH meter dan ethanol sensor

b. Pompa peristatik

III.2

Rancangan Kerja

A. Imobilisasi Sel 1. Penanaman bakteri pada media aktifasi

Pipet 5 mL air garam steril

Masukkan dan kocok dalam biakan murni Acetobacter aceti

Tuang air garam berisi bakateri dalam 50 mL media aktifasi

Inkubasi selama 4-6 jam pada suhu 30oC

2. Pembuatan Natrium Alginat

Timbang natrium alginate sebanyak 12 gram

Campurkan denganaquadest sebanyak 150 mL

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 7

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

Aduk hingga mengental

Pasteurisasi pada suhu 80oC selama 10 menit

3. Pembuatan Beads

Campurkan media aktivasi dan larutan natrium alginate

Suntikkan campuran kedalam larutan CaCl2 untuk membentuk beads

Biarkan selama 1 jam lalu bilas dengan aquadest

Stabilkan pada larutan CaCl2 2% pada suhu 4oC selama 12 jam

B. Evaluasi Kinerja Sel Imobilisasi Dalam Reaktor Kolom

Sterilkan semua peralatan dengan alcohol 96%

Rangkai reaktor

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 8

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

Masukkan sel terimobilisasi dalam kolom reaktor

Tuang media produksi asam asetat kedalam reactor hingga tanda batas pada kolom

Atur laju alir media produksi sesuai dengan kehendak kita

Ukur pH per 25 mL produk yang dihasilkan

Catat pH dan indeks biasnya

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 9

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

BAB IV DATA DAN PENGAMATAN Berdasarkan percobaan kami mendapatkan data pengamatan sebagai berikut :

No.

Periode Sampling

pH

Indeks Bias

1

t0

5.6

1.627

2

t1

6.4

1.620

3

t2

6.4

1.552

4

t3

6.1

1.544

5

t4

6.0

1.687

6

t5

5.9

1.688

7

t6

6.1

1.689

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Laju Alir

2 mL / menit

Page 10

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

Grafik hubungan t dengan pH

6.5

pH

6.3 6.1 5.9 5.7

y = 0.0036x + 6.0607 R² = 0.0008

5.5 0

2

4

6

8

t ( waktu )

Grafik t vs Indeks Bias

1.72 1.7 1.68

Indeks Bias

1.66 1.64 1.62

y = 0.0163x + 1.5806 R² = 0.315

1.6 1.58 1.56 1.54 1.52 0

1

2

3

4

5

6

7

t (waktu)

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 11

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

BAB V PEMBAHASAN Immobilisasi sel adalah suatu proses untuk menghentikan pergerakan dari molekul enzim atau sel yang ditahan pada tempat tertentu dalam suatu ruang reaksi yang digunakan sebagai katalis. Bakteri yang digunakan adalah Acetobacter aceti yang memiliki kemampuan untuk mengkonversi alkohol menjadi asam asetat. Immobilisasi yang kami lakukan ialah immobilisasi fisik, yaitu dengan membungkus bakteri dengan alginate. Proses pembuatan bed calsium alginat terkait dengan proses immobilisasi sel telah disajikan pada Gambar 1. Dimana awalnya larutan diberi biakan sel selanjutnya larutan tersebut diteteskan kedalam larutan CaCl 2% dan mengalami gellation selama 2

15 menit, setelah bed terbentuk dan terisi sel yang telah terjebak di dalam gel tersebut kemudian dicuci dengan menggunakan air selama 30 menit. Setelah pencucian dilanjutkan dengan merendam didalam larutan

Al (SO ) 2

4 3

menghilangkan sisa Gambar 1

selama

30

menit

guna

kelebihan Ca (James et al.,

1986).

Kelebihan dari immobilisasi secara fisik ini yaitu terlindunginya sel dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan (suhu, pH, pelarut organik, racun), proses separasi menjadi lebih mudah dan cepat, tingkat stabilitas operasional lebih tinggi, serta memungkinkan

dilaksanakannya

proses

secara

kontinyu dengan tingkat densitas sel dan kecepatan dilusi yang tinggi, yang pada akhimya dapat meningkatkan produktifitas bioreactor dan koutinuitas produksi.

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 12

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

Namun, salah satu kendala produksi etanol proses fermentasi konvensional adalah dikarenakan energi yang dibutuhkan dalam proses pemisahan (destilasi) sangat besar terutama jika feed mempunyai konsentrasi yang rendah. Pada produk dengan konsentrasi tinggi umumnya proses pemisahan dilakukan degan destilasi azeotrop merupakan masalah utama karena dalam proses ini dibutuhkan tambahan proses azeotropic atau extractive distilasi untuk menghasilkan produk etanol yang tinggi. Guna mengatasi masalah tersebut digunakan suatu alternatif proses yaitu fermentasi yang dilanjutkan dengan ekstraksi. Minier dan Goma (1981), meneliti etanol dengan proses ekstraksi-fermentasi dimaan dalam proses ekstraksi liquid-liquid inhibitor produk fermentasi diambil dengan menggunakan solvent berupa dodecanol. Fermentasi etanol dicapai pada suhu 35oC menggunakan Saccharomyce cereviceae. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa total produksi etanol sebesar 0,85 g/l.h, dibanding menggunakan konvensional fermentasi hasil yang terbentuk hanya sebesar 0,27 g/l.h. (Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 27) Proses Ekstraksi Proses ekstraksi ini merupakan kelanjutan dari proses fermentasi dengan immobilisasi sel yang terjadi dalam fermentor packed bed, broth hasil fermentasi dialirkan ke dalam kolom ekstraksi kemudian dikontakkan dengan solvent Amyl Alkohol. Hasil Ekstrak dianalisa dengan refraktometer untuk mengetahui indeks bias dan setelah didapatkan kondisi steady, dianalisa dengan GC (Gas Chromatography) untuk mengetahui kadar etanolnya. (Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 27)

Akan tetapi dalam praktikum yang kami lakukan hanya mengambil data berupa indeks bias dan pH dari hasil evaluasi kerja immobilisasi dari hasil proses penyaringan dengan beads pada kolom immobilasi. Namun, seharusnya dilakukan tahap selanjutnya untuk mengetahui kadar etanol juga kadar asam asetat yang dihasilkan, sehingga dengan cara ini kita dapat menentukan tingakat produktivitas dari immobilisasinya seperti pada kutipan di atas. Data yang diharapkan dari praktikum kali ini yaitu pH semakin menurun, hal ini dikarenakan fermentasi berjalan sesuai harapan dan terbentuk asam asetat. Begitu pun dengan indeks biasnya. Berdasarkan data hasil pengamatan t0 memiliki pH 5.6 dan indeks bias sebesar 1.627. akan tetapi pada titik t1 dan t2 memiliki pH yang sama, akan tetapi harga indeks bias turun. Padahal, harga pH yang diharapkan yaitu semakin menurun (lebih kecil), kami memperkirakan beberapa kemungkinan penyebabnya. Menurut kami hal ini dikarenakan,adanya pengaruh CaCl2 sehingga pH terpengaruh dan masih konstan. Kemudian pH beranjak turun, hal ini dikarenakan telah terkonversinya etanol menjadi asam asetat. Sehingga, suasana menjadi bertambah asam. Jadi, Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 13

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

dapat kami simpulkan bakteri sudah mengkonversi sebagian etanol menjadi asam asetat. Meskipun terdapat data yang menurut kelompok kami kurang tepat yaitu grafik tidak turun secara linear, data yang kami peroleh untuk praktikum kali ini yaitu untuk t (waktu pengambilan sampel) terhadap pH maupun terhadap indeks bias tidak turun secara linear. Dan menurut kami terdapat beberapa faktor yang memungkinkan menjadi penyebab ketidak akuratan dalam percobaan, yaitu sebagai berikut : 

Pada saat memasukkan beads (matriks) ke dalam kolom immobilisasi (packed column) tersumbat, sehingga harus dilakukan pendorongan dengan menggunakan pipet secara aseptis. Namun, tidak menutup kemungkinan saat melakukan pendorongan terjadi kontaminasi pada kolom immobilisasi (packed column) dan beads. Selain itu, memungkinkan terdapat beberapa beads (matriks) telah rusak dikarenakan pendorongan dengan menggunakan pipet.



Terjadi kerusakan (patah) pada keran kolom immobilisasi, sehingga laju alir tidak berjalan secara konstan.



Terjadi kontaminan saat memasukkan air garam steril pada labu infus. Menurut kami hal ini terjadi karena beberapa kali lagu infuse bocor dan meneteskan air garam steril keluar dan butuh di sumbat ulang.



Ketidaktelitian dalam menentukan indeks bias.



Kurang protektif pada cairan yang keluar dari packed column, sehingga memungkinkan terjadi kontaminan yang merubah harga pH cairan.

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 14

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

BAB VI KESIMPULAN 

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 15

Bioproses | Immobilisasi Sel | Tgl Prktikum: Rabu, 20 dan 27 April 2011

1A TK 2011

Daftar Pustaka http://blog.ub.ac.id/nittaaa/2011/04/09/immobilisasi-sel-peningkatan-produksi-fermentasi-untukmenanggulangi-masalah-pangan-dunia/ diakses pada tanggal 9 Mei 2011.

Bio Proses | Immobilisasi Sel

Page 16