PROSES DAN OPTIMASI MATEMATIK PRODUKSI POLYHYDROXYBUTYRATE OLEH BAKTERI AMILOLITIK Bacillus cereus IFO 13690

Margono, ST.,MT., Prof. Ir. Rochmadi, S.U., Ph.D.

2011 | Disertasi | S3 Bioteknologi

Polyhydroxybutyrate (PHB) merupakan bahan plastik biodegradabel yang diproduksi dari bahan baku terbarukan. Bahan ini dapat menjadi alternatif pengganti plastik berbasis minyak bumi yang tidak ramah lingkungan dan persediaannya semakin terbatas. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan optimasi proses produksi PHB dari tapioka (pati singkong) oleh Bacillus cereus IFO 13690 melalui simulasi matematik. Cara simulasi ini dapat meminimalkan jumlah percobaan laboratorium sehingga dapat menghemat waktu, energi dan biaya penelitian. Penelitian ini dibagi dalam 4 tahap kegiatan, yaitu percobaan proses batch untuk memperoleh hubungan pengaruh variabel proses terhadap pertumbuhan sel dan produksi PHB, pengembangan model matematika yang sesuai dengan proses produksi PHB dari pati, simulasi matematik dalam rangka memperoleh strategi proses produksi yang optimum dan percobaan verifikasi terhadap proses produksi optimum hasil simulasi matematik. Percobaan proses batch dilakukan dalam fermentor dengan kapasitas 5 L dengan volume kerja 2 L yang terdiri dari 1,8 L medium produksi dan 0,2 L inokulum (konsentrasi 5 gsel/L). Konsentrasi pati dan amonium awal dalam medium produksi terdiri dari 18,04 – 18,72 g pati/L dan 0,29 – 1,20 g NH4 + /L. Kondisi proses meliputi suhu 30 o C, pH produksi 5,6 dan oksigen terlarut (DO) 1 - 10 % udara jenuh. Percobaanfed batch (termasuk percobaan verifikasi) dilakukan dalam 2 fermentor, masing-masing 5 L dan 20 L dengan volume kerja 2 – 3,1 L dan 10 – 14,57 L yang terdiri dari 10 % inokulum dan 90 % medium produksi. Kondisi proses meliputi suhu 30 o C, pH 5,6 dan DO 5 % udara jenuh. Konsentrasi pati awal 16,72 – 17,44 g/L dan konsentrasi amonium awal 0,59 - 1,18 g/L. Komposisi umpan terdiri dari 70 g pati/L dan 5,44 g NH4 + /L. Simulasi matematik dilakukan pada konsentrasi pati umpan 10 – 70 g/L, konsentrasi amonium umpan 0,27 – 6,53 g/L dan waktu awal umpan jam ke-5 sampai ke-30 setelah masuk fase pertumbuhan eksponensial. Percobaan verifikasi dilakukan pada konsentrasi umpan 70 g pati/L dan 5,44 g NH4 + /L, waktu awal umpan jam ke-8 setelah masuk fase pertumbuhan eksponensial dan kondisi proses 30 o C, pH 5,6 serta DO 5 % udara jenuh. Hasil percobaan menunjukkan bahwa B. cereus IFO 13690 adalah bakteri amilolitik penghasil PHB dengan pola growth associated product. Produktivitas proses fed batch lebih baik dibandingkan proses batch, yaitu bahwa metode proses fed batch dapat meningkatkan produktivitas sel menjadi lebih dari 2 kali dan produktivitas PHB menjadi 2 kali dibandingkan dengan proses batch. Untuk mengetahui fenomena proses, model matematika dikembangkan dengan beberapa asumsi berikut, yaitu bahwa substrat (glukosa) yang dikonsumsi oleh bakteri merupakan produk antara (intermediate) hasil proses simultan antara sakarifikasi dengan fermentasi (SSF), selalu ada keseimbangan antara konsentrasi glukosa di dalam dan di luar sel, kinetika pertumbuhan sel mengikuti kinetika pertumbuhan Moser dan kinetika reaksi sakarifikasi mengikuti kinetika reaksi enzim alosterik (allosteric enzyme). Model ini kemudian diverifikasi dengan data-data percobaan dan hasilnya menunjukkan kesesuaian antara perkiraan fenomena proses dengan data hasil percobaan meskipun ada sedikit modifikasi yang perlu dilakukan. Semakin tinggi konsentrasi pati dalam umpan semakin tinggi pertumbuhan sel dan produksi PHB. Konsentrasi pati umpan 70 g/L merupakan konsentrasi optimum. Jika konsentrasi amonium dalam medium sama atau kurang dari kebutuhan stoikhiometrisnya maka pertumbuhan sel dan produksi PHB makin tinggi dengan makin tingginya konsentrasi amonium dalam umpan. Hasil simulasi menunjukkan bahwa produksi sel dan PHB tidak dipengaruhi oleh konsentrasi amonium dalam umpan pada konsentrasi amonium 3,26 – 6,53 g/L. Strategi proses produksi PHB dari pati tapioka oleh B. cereus IFO 13690 yang optimum difermentasi melalui proses fed batch, dengan konsentrasi pati awal 16,72 – 17,44 g/L, konsentrasi amonium awal 1,2027 g/L, komposisi umpan tambahan mengandung 70 g pati/L dan 3,26 – 6,53 gNH4 + /L dan waktu awal pengumpanan antara jam ke-5 sampai jam ke-12 setelah fase pertumbuhan eksponensial dengan kecepatan 0,20 L/jam. Pada kondisi ini, produksi sel dan PHB adalah 14,33 - 14,94 g sel kering/L dan 0,39 – 0,39 g PHB/L dalam waktu 42 jam proses produksi. Hasil tersebut setara dengan produktivitas sel 0,34 - 0,36 g sel kering/L.jam dan produktivitas PHB 0,008 – 0,009 g PHB/L.jam. Kadar PHB dalam sel adalah 2,6 - 2,7 % berat kering sel. Ralat relatif rerata maksimum hasil simulasi terhadap percobaan verifikasi sebesar 15,94 % (berat kering sel), 24,56 % (PHB), 24,26 % (pati), 34 % (glukosa) dan 12,82 % (amonium).

Polyhydroxybutyrate (PHB) is one of renewable materials that can be used to produce biodegradable plastic. The plastic could be an alternative material substituting petroleum based plastics which are not environmentally friendly and its resource is getting limited. The objective of this research was to optimize PHB production from tapioca starch by Bacillus cereus IFO 13690 through mathematical simulation. This research consists of 4 steps of experimental work , i.e. (1) batch process laboratory work to identify the process variable affecting cell growth and PHB production, (2) development of mathematical model which fit the phenomena of PHB production process from starch by amylolitic bacteria, (3) mathematical simulation to obtain optimum process strategy of PHB production and (4) laboratory experiments to verify the optimum conditions resulted by mathematical simulation. Batch experiments were carried out in a 5 L fermentor with 2 L working volume including 1.8 L of medium and 0.2 L of inoculums (cell density of 5 g /L). Initial concentrations of starch and ammonium were in the range of 18.04 - 18.72 g/L and 0.29 – 1.20 g/L, respectively. The process conditions were temperature of 30 o C, pH of 5.6 and dissolved oxygen (DO) of 1 – 10 % air saturation. The fed batch experiments were carried out in 5 L and 20 L fermentors. The process conditions were temperature of 30 o C, pH of 5.6 and DO of 5 % air saturation. The initial concentrations of starch and ammonium were in the range of 16.72 – 17.44 g/L and 0.59 – 1.18 g/L, respectively. Mathematical simulations were carried out in the range of feed concentrations between 10 – 70 g starch/L and 0,27 – 6.53 g NH4 + /L and initial time of feedings were from 5 until 30 hours after exponential growth started. Verifications were carried out at 70 g starch/L and 5.44 g NH4 + /L, initial feeding at 8 hours after exponential growth started and the process conditions were temperature of 30 o C, pH of 5.6 and DO of 5 % air saturation. The results show that B. cereus IFO 13690 produce PHB following growth associated product category. The productivity of fed batch is better than batch process. Both productivity of cell and PHB in fed batch are twice as much as those in batch process. The mathematical model development was based on new approach, i.e. the glucose as carbon source was the intermediate substrate produced by simultaneous process of saccharification and fermentation (SSF), glucose inside and outside of cell were always in equilibrium state, the growth kinetic follows Moser equation and the enzymatic saccharification follows allosteric enzyme system. This model was verified by data obtained from laboratory experiments and the results showed that the mathematical model was suitable with the process phenomena of PHB production. The PHB production and cell growth increase as the starch concentration is increased. The optimum starch concentration of feed is 70 g/L. If ammonium concentration is equal or less than the stoichiometric concentration, the microbial growth and PHB production will increase as the ammonium concentration increase. However, excess concentration of ammonium does not affect the microbial growth and PHB production. The mathematical simulation indicates that ammonium concentration of 3.26 - 6.53 g/L are considered to be excessive. The optimum strategy of PHB production from tapioca starch by B. cereus IFO 13690 is as follows: fed batch process, initial starch concentrations of 16.72 - 17.44 g/L, initial ammonium concentration of 1.20 g/L, feed concentration of 70 g starch/L and 3.26 – 6.53 g gNH4 + /L and initial feeding is between 5 - 12 hours after exponential growth started with the volumetric rate of 0.20 L/hour. The cell growth and PHB production at the optimum process are 14.33 – 14.94 g cell dry weight/L and 0.39 g PHB/L for 42 hours of production process. The results are equivalent with the productivity of 0.34 – 0.36 g of cell dry weight/L.hour and 0.008 – 0.009 g PHB/L.hour. The PHB contents are 2.6 – 2.7 % cell dry weight. The maximum average of relative errors between simulations and experiments are 15.94 % (cell dry weight), 24.56 % (PHB), 24.26 % (starch), 34 % (glucose) dan 12.82 % (ammonium).

Kata Kunci : Polyhydroxybutyrate