Produksi Enzim Selulase
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Produksi Enzim Selulase

on

  • 14,150 views

 

Statistics

Views

Total Views
14,150
Views on SlideShare
14,147
Embed Views
3

Actions

Likes
4
Downloads
488
Comments
2

1 Embed 3

http://pinterest.com 3

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft Word

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
  • Produksi selulase umumnya menggunakan campuran substrat selulosa (atau sejenisnya: selobiosa, dll) dan inducer lain yg lebih murah misalnya laktosa. Selulosa sendiri tidak larut dalam air, sehingga dibutuhkan surfaktan untuk menurunkan surface tension larutan. Dengan demikian, induksi selulosa untuk produksi selulase dapat ditingkatkan. Nah, untuk pemilihan Tween 80 mungkin dilihat dari segi sifatnya yg tidak beracun, mungkin juga ekonomi, atau pertimbangan penggunaannya yg sudah teruji dari penelitian.
    Semoga menjawab :)
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
  • fungsi surfaktan (tween 80) dalam produksi enzim selulase itu spesifiknya apa ya??
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Produksi Enzim Selulase Produksi Enzim Selulase Document Transcript

  • TUGAS TK3221 TEKNOLOGI ENZIM Semester II – 2011/2012PRODUKSI ENZIM SELULASE Disusun oleh: Nama : Antony Program Studi : Teknik Kimia NIM : 13009105 Dosen: Dr. Ir. Ukan Sukandar, M.Sc. PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2012
  • ABSTRAK Enzim selulase sangat berperan dalam berbagai industri, di antaranya industridengan penggunaan selulase yang cukup besar seperti industri tekstil, pulp & paper,deterjen, dan makanan. Potensi enzim selulase untuk menghidrolisis lignoselulosamenjadi harapan produksi bioetanol generasi kedua. Teknologi konversi biomassamenjadi bioenergi diperkirakan akan segera terwujud dengan berbagai pengembanganyang dilakukan saat ini. Untuk itu produksi enzim selulase menjadi hal yang pentingdipelajari mengingat perannya tersebut. Proses produksi enzim selulase secara komersial umumnya dilakukan secarafermentasi submerged, disertai pengembangan ke arah solid state fermentation.Trichoderma reesei dengan berbagai variasi strain merupakan mikroorganisme yangpaling banyak digunakan. Substrat yang dapat menjadi induser gen selulase adalahselulosa, laktosa, selobiosa, sophorosa, dan salisin. Bahan baku mengandung selulosayang sering digunakan adalah pulp kertas, jerami padi, tongkol jagung, dan bahanlignoselulosa lain. Kalsium dan magnesium merupakan dua ion anorganik utama yangberpengaruh terhadap produktivitas selulase.Kata kunci: selulase, Trichoderma reesei, selulosa, fermentasi submerged i
  • DAFTAR ISIABSTRAK ......................................................................................................................... iDAFTAR ISI..................................................................................................................... iiDAFTAR GAMBAR ....................................................................................................... iiiDAFTAR TABEL............................................................................................................ ivBAB I PENDAHULUAN ................................................................................................. 1 1.1 Selulosa dan Enzim Selulase .............................................................................. 1 1.2 Sejarah Penemuan dan Produksi Enzim Selulase .............................................. 4 1.3 Kegunaan Enzim Selulase .................................................................................. 6 1.4 Potensi di Indonesia ......................................................................................... 10BAB II POKOK BAHASAN ......................................................................................... 122.1 Mikroba Penghasil Selulase ................................................................................. 122.2 Subtrat dan Medium Fermentasi .......................................................................... 152.3 Biosintesis Selulase.............................................................................................. 172.4 Proses Produksi Enzim Selulase .......................................................................... 192.5 Perolehan Produk Selulase................................................................................... 25DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................... 27 ii
  • DAFTAR GAMBARGambar 1.1. Ikatan α14 glikosidik dan ikatan β14 glikosidik ................................ 1Gambar 1.2. Tahapan-tahapan hidrolisis selulosa ........................................................... 3Gambar 1.3. Kiri: Elwyn Reese dan Mary Mandels; kanan: Percobaan produksi selulase secara kontinu tahun 1975 (sumber: Allen dkk, 2009) ................. 5Gambar 1.4. Perbedaan hasil cucian dengan deterjen tanpa selulase dan ada selulase ... 8Gambar 1.5. Dua contoh skema produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa memanfaatkan enzim selulase (sumber: Soerawidjaja, 2009).................. 11Gambar 2.1. Trichoderma reesei strain QM6a ............................................................. 12Gambar 2.2. Perbandingan struktur beberapa substrat induser enzim selulase; kiri: sophorosa; tengah: salisin; kanan: selobiosa (sumber: www.chemspider.com) ............................................................................. 16Gambar 2.3. Diagram blok produksi enzim secara fermentasi submerged dan solid state .......................................................................................................... 22Gambar 2.4. Spesifikasi proses untuk produksi enzim selulase dengan metode fermentasi submerged (sumber: Zhuang, 2006) ....................................... 23Gambar 2.5. Spesifikasi proses untuk produksi enzim selulase dengan metode fermentasi solid state (sumber: Zhuang, 2006) ........................................ 24Gambar 2.6. Produktivitas selulase oleh A. niger NRRL567 pada berbagai pH .......... 26Gambar 2.7. Produktivitas selulase oleh A. niger NRRL567 pada berbagai pH .......... 26 iii
  • DAFTAR TABELTabel 1.1. Komponen enzim di dalam kompleks enzim selulase .................................... 3Tabel 2.1. Mikroorganisme penghasil selulase .............................................................. 13Tabel 2.2. Beberapa jenis mutan Trichoderma reesei produksi selulase kadar tinggi ... 14Tabel 2.3. Produktivitas selulase dari mutan T. reesei dalam kultur batch ................... 15Tabel 2.4. Komposisi garam anorganik untuk medium fermentasi T. reesei ................ 17Tabel 2.5. Produksi selulase-mikroorganisme, substrat, metode, dan skala yang digunakan ...................................................................................................... 20Tabel 2.6. Produksi selulase oleh fungi pada berbagai substrat ..................................... 25 iv
  • BAB I PENDAHULUAN Sumber energi dari bahan baku yang terbarukan menjadi salah satu fokus utamapenelitian sejak beberapa dekade yang lalu. Salah satunya adalah pemanfaatan bahanselulosa untuk menghasilkan etanol sebagai sumber energi. Sebagai senyawa yangpaling melimpah di muka bumi, selulosa dapat menjadi sumber energi yang murah danterbarukan. Di samping sebagai sumber energi, selulosa juga dimanfaatkan untukpembuatan sirup glukosa dan protein sel tunggal. Untuk dapat dimanfaatkan, selulosamembutuhkan proses hidrolisis, dan penggunaan enzim selulase menjadi pilihan utama.Peran enzim selulase dalam industri yang berhubungan dengan selulosa tidak dapatdipisahkan. Oleh karena itu, produksi enzim selulase perlu dikembangkan untukmenjawab tantangan pemanfaatan bahan selulosa dalam industri bioproses.1.1 Selulosa dan Enzim SelulaseSelulosa merupakan homopolisakarida, dengan glukosa sebagai monomernya. Molekulselulosa berbentuk linier dan tak bercabang, dan terdiri dari 10.000-15.000 unit D-glukosa (Lehninger, 2008). Perbedaan selulosa dengan amilosa yang juga polisakaridadari glukosa terletak pada konfigurasi residu glukosa penyusunnya. Selulosa tersusundari residu-residu β-glukopiranosil yang dihubungkan dengan ikatan 14 (β14),sedangkan amilosa oleh ikatan α14. Akibatnya terdapat perbedaan yang kontrasdalam hal struktur dan sifat fisik keduanya. Gambar 1.1 menunjukkan perbedaan ikatanglikosidik glukosa yang terdapat pada amilosa dan selulosa. Gambar 1.1. Ikatan α14 glikosidik dan ikatan β14 glikosidik (sumber: Lehninger, 2008) 1
  • 2Selulosa adalah senyawa organik yang paling melimpah di alam. Ada dua tipe dasarselulosa yang terdapat di alam, yaitu pektoselulosa, seperti rami yang mengandung 80%selulosa dan lignoselulosa yang terdiri dari selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Sebagaisenyawa utama penyusun dinding sel tanaman, selulosa mencakup sekitar 30% darikeseluruhan material tumbuhan (90% dari kapas dan 50% dari kayu merupakan selulosa. Pemanfaatan selulosa telah dilakukan di berbagai bidang, di antaranya untukproduksi kertas, fiber, dan senyawa kimia turunannya untuk industri plastik, filmfotografi, rayon, dan lainnya. Produk hidrolisis selulosa yaitu gula (glukosa) jugamerupakan senyawa yang vital dalam industri bioproses. Oleh karena itu penggunaanselulosa sebagai sumber glukosa, di samping sebagai sumber energi terbarukan yangmurah dan melimpah untuk berbagai keperluan semakin berkembang. Hidrolisisselulosa dapat dilakukan dengan menggunakan asam kuat maupun enzim selulase.Sebagai contoh, hewan herbivora dapat mengutilisasi selulosa sebagai bahan makanankarena memiliki rumen mikroflora untuk menghasilkan enzim selulase. Rumenmikroflora merupakan komunitas dari berbagai jenis mikroorganisme yang hidup didalam perut hewan herbivora tersebut. Selulase merupakan kumpulan dari beberapa enzim yang bekerja bersama untukhidrolisis selulosa. Mikroorganisme tertentu menghasilkan partikel yang dinamakanselulosom. Partikel inilah yang akan terdisintegrasi menjadi enzim-enzim, yang secarasinergis mendegradasi selulosa (Belitz dkk, 2008). Sedikitnya ada tiga enzim yangterlibat dalam degradasi atau hidrolisis selulosa, yaitu endo-β-glukanase, ekso-β-glukanase, dan β-glukosidase. Nama lain dan fungsi dari enzim tersebut dalam hidrolisisselulosa dapat dilihat pada Tabel 1.1. Reaksi hidrolisis selulosa oleh selulase adalah sebagai berikut.Tahapan-tahapan hidrolisis selulosa oleh selulase dapat dilihat pada Gambar 1.2.Faktor C1 sangat diinhibisi oleh produknya, sehingga selobiase diperlukan agarhidrolisis selulosa dapat berlangsung. Selobiase juga diinhibisi oleh produknya, glukosa,sehingga hidrolisis sempurna selulosa hanya dapat dilakukan jika tersedia selobiasedalam jumlah besar atau glukosa yang terbentuk segera dipisahkan. Antony/13009105
  • 3 Gambar 1.2. Tahapan-tahapan hidrolisis selulosa (sumber: Ghori, 2001) Tabel 1.1. Komponen enzim di dalam kompleks enzim selulase (sumber: Belitz dkk, 2008)EC No. Nama Sinonim Reaksi3.2.1.4 Endo-β-glukanase Faktor Cx; CMCase; Endohidrolisis ikatan 1,4-β-D- 1,4-β-D-glukan glukosidik, membentuk glukosa glukanohidrolase dan selo-oligosakarida.3.2.1.91 Ekso- β-glukanase Faktor C1; avicelase; Eksohidrolisis ikatan 1,4-β-D- 1,4-β-D-glukan glukosidik membentuk selobiosa selobiohidrolase dari selulosa atau 1,4-β- glukooligosakarida.3.2.1.21 β-glukosidase Selobiase; Hidrolisis residu β-D-glukosa amygdalase terminal dalam β-glukan. Antony/13009105
  • 41.2 Sejarah Penemuan dan Produksi Enzim SelulasePenemuan selulosa oleh ilmuwan Jerman, Anselme Payen, pada tahun 1838, tidakdisertai dengan pemanfaatannya pada waktu itu. Pada tahun 1922, dibentuklah Divisionof Cellulose Chemistry oleh American Chemical Society (ACS) sebagai langkah awalera pemanfaatan selulosa. Terobosan terbesar dalam teknologi hidrolisis selulosa adalahpenemuan mikroorganisme yang mampu mengubah selulosa menjadi gula pada tahun1950-an. Pada masa Perang Dunia II, U.S. Army membentuk sebuah program penelitianuntuk memahami penyebab pembusukan peralatan militer di dalam hutan PasifikSelatan. Kegiatan ini berujung pada berdirinya U.S. Army Natick Laboratory. ElwynReese bersama timnya melakukan screening terhadap ribuan jenis sampel dari hutandan berhasil mengidentifikasi mikroorganisme penghasil enzim selulase yang dapatmendegradasi kristal selulosa. Mikroorganisme ini adalah Trichoderma viride, yangakhirnya diberi nama Trichoderma reesei pada tahun 1977, sebagai penghargaan bagiElwyn Reese. T. reese merupakan nenek moyang dari berbagai jenis fungi penghasilenzim selulase komersial sekarang. Penelitian dengan tujuan meningkatkan produktivitas enzim selulase darimikroorganisme penghasilnya semakin marak dilakukan sejak penemuan T. reesei.Seperti kebanyakan polisakarase, selulase merupakan enzim adaptif dalam kebanyakanfungi, meskipun konstitutif dalam bakteri selulolitik. Selulosa merupakan substrat yangtidak larut, sehingga muncul pertanyaan bagaimana substrat yang tidak larut tersebutdapat menginduksi pembentukan enzim ekstraseluler ini. Penelitian yang dilakukan olehMary Mandels dan Elwyn T. Reese (Gambar 1.3-kiri) menunjukkan bahwa beberapajenis gula dapat menginduksi enzim selulase dengan penambahan beberapa jenis ionlogam seperti mangan, seng, kobalt, atau besi (Mandels dkk, 1956). Di samping selulosadan selobiosa, induser lain seperti laktosa, selobiosa oktasetat, dan salisin memilikiikatan β-glikosidik. Mandels dkk. (1959) menyatakan bahwa perolehan selulase dengansubstrat selobiosa akan meningkat dengan memperlambat laju pertumbuhan.Peningkatan produksi selulase dilakukan dengan pengembangan mutan hypercellulase-producing, optimasi media kultur dengan menggunakan surfaktan dan induser, danpeningkatan lebih lanjut dilakukan dengan penggunaan proses fermentasi fed-batch dankontinu dua tahap yang melibatkan scale-up fermentor hingga 400 L dan reaktorhidrolisis 250 L (Gambar 1.3-kanan). Antony/13009105
  • 5Gambar 1.3. Kiri: Elwyn Reese dan Mary Mandels; kanan: Percobaan produksi selulase secara kontinu tahun 1975 (sumber: Allen dkk, 2009) Pengembangan mutan Trichoderma reesei untuk menghasilkan enzim selulasedalam jumlah yang lebih besar terus dilakukan. Strain induk, T. reesei QM6a yangdiisolasi oleh Natick telah menghasilkan puluhan strain mutan lainnya hingga tahun1980. Keuntungan penggunaan T. reesei adalah enzim selulase yang dihasilkan telahlengkap dengan semua komponen yang diperlukan untuk menghidrolisis selulosa danperolehan protein selulase yang tinggi dapat dicapai. Laboratorium Natick berperansangat penting dalam sejarah pengembangan produksi selulase. Beberapa pencapaianpenting oleh Natick di antaranya: 1. Konsep C1 dan Cx, yang menyatakan bahwa selulase bukan enzim tunggal melainkan enzim campuran (1950). 2. Trichoderma reesei merupakan sumber enzim selulolitik terbaik setelah screening ribuan organisme (1955). 3. Hidrolisis total selulosa kristalin oleh selulase tercapai (1964). 4. Studi inhibitor selulase mencakup inhibitor alami dari sumber tanaman (1965). 5. Reaktor membran untuk produksi kontinu sirup glukosa dengan perpanjangan penggunaan dan penggunaan ulang enzim (1970). 6. Penggunaan surfaktan untuk meningkatkan perolehan selulase dan enzim lainnya (1970). 7. Mutasi T. reesei ke strain yang menghasilkan lebih banyak selulase (1970, 1977-1981). 8. Pilot plant produksi selulase dan sakarifikasi selulosa pada skala 300 L (1975). 9. Peran β-glukosidase dalam penghilangan inhibitor selobiosa, sehingga meningkatkan kualitas proses sakarifikasi (1977). Antony/13009105
  • 6 10. Optimasi fermentasi dan penggunaan mutan selulase baru untuk memproduksi lebih dari 2% protein selulase ekstraseluler dari 6% selulosa (1977). 11. Pengembangan prosedur HPLC cepat untuk analisis dan kuantifikasi protein selulase (1978). 12. Studi induksi selulase dan β-glukosidase, dan peran sophorosa dalam pengendalian produksi enzim oleh T. reesei (1979-1981). 13. Pengembangan kultur T. reesei fed-batch dan kontinu pada substrat terlarut untuk meningkatkan produktivitas enzim dan untuk memperkirakan data kuantitatif (konstanta perolehan dan maintenance, keperluan nutrien spesifik, produktivitas enzim spesifik) yang diperlukan dalam evaluasi ekonomi (1979- 1981).1.3 Kegunaan Enzim SelulaseSelulase awalnya diteliti beberapa dekade yang lalu untuk keperluan biokonversibiomassa, yang membuka peluang untuk aplikasi industrial dalam berbagai bidang.Beberapa jenis industri yang memanfaatkan enzim selulase di antaranya industri tekstil,makanan, deterjen, dan kertas. Menipisnya cadangan bahan bakar fosil yang dapatditambang dengan teknologi masa kini mendorong pemanfaatan enzim selulase untukbiokonversi bahan lignoselulosa menjadi sumber energi. 1. Industri tekstil Selulosa telah menjadi kelompok enzim terbesar ketiga yang dimanfaatkan dalam industri semenjak dikenal. Selulase merupakan enzim yang paling sukses digunakan dalam pemrosesan tekstil basah, terutama bagian proses akhir tekstil berbasis selulosa, dengan tujuan meningkatkan kualitas. Stonewashing jeans secara tradisional melibatkan pelepasan lapisan pati dengan bantuan amilase dan perlakuan abrasi dengan batu apung dalam mesin pencuci besar. Selulase umumnya digunakan untuk biostoning bahan jeans dan biopolishing kapas dan fabrik selulosa lainnya. Selama proses biostoning, selulase bekerja pada fabrik kapas dan memutuskan ujung fiber kecil pada permukaan tenunan, sehingga memudahkan pelepasan pewarna untuk menciptakan efek kabur atau luntur. Penggantian batu apung dengan selulase akan mengurangi kerusakan fiber, meningkatkan produktivitas mesin, dan lebih sedikit kerja intensif. Antony/13009105
  • 7 Selulase juga meningkatkan kelembutan dan sifat penyerapan air darifiber, mengurangi kecenderungan pembentukan gumpalan, dan menghasilkanstruktur permukaan yang lebih bersih dengan sedikit bulu halus. Penyiapanselulase yang kaya dengan endoglukanase paling cocok untuk biopolishingpeningkatan tampilan, sentuhan, dan warna fabrik tanpa perlunya pelapisandengan senyawa kimia lain. Aksi dari selulase dalam menghilangkan fiber kecil,bulu halus permukaan, menghasilkan tampilan yang licin dan mengkilap, sertameningkatkan kecerahan warna, hidrofilisitas dan absorbansi kelembapan, danproses yang lebih ramah lingkungan (Kuhad dkk, 2011).2. Industri deterjenDibandingkan dengan enzim hidrolase lainnya di dalam deterjen, selulasetergolong unik. Jika enzim hidrolase lain seperti amilase dan lipase umumnyamenyerang substrat yang terdapat pada kotoran atau noda, enzim selulasemenghidrolisis selulosa pada kapas atau paduannya untuk memberi keuntungandalam pencucian dan perawatan bahan. Aplikasi komersial enzim selulase dalamdeterjen bermula pada tahun 1987, ketika produk deterjen Kao, Attack®menggunakan selulase alkalin dari Bacillus sp. Sejak 1991, sejumlah deterjenEropa dan Amerika Utara juga melibatkan selulase. Selulase di dalam deterjen dapat membantu menjaga bahan kapas danpaduannya terlihat baru lebih lama dengan menghilangkan bulu halus yangterbentuk selama pemakaian. Dengan melepaskan fibril pada permukaan bahan,kotoran juga akan terlepas, sehingga selulase di sisi lain dapat memberikan efekpembersihan. Gambar menunjukkan perbedaan hasil pencucian dengan deterjentanpa selulase dan mengandung selulase (Flickinger dkk, 1999).3. Industri makanan dan minumanSelulase juga memiliki potensi yang besar dalam aplikasi bioteknologi makanan.Produksi jus buah dan sayur memerlukan pengembangan metode ekstraksi,klarifikasi, dan stabilisasi. Selulase memiliki aplikasi penting bersama-samadengan xilanase dan pektinase yang digunakan dalam ekstraksi dan klarifikasijus buah dan sayuran untuk meningkatkan perolehan jus. Penggunaan enzimtersebut meningkatkan stabilitas dan tekstur cairan dan mengurangi viskositassari buah tropis seperti mangga, pepaya, prem, dan pir. Tekstur, rasa, dan aroma Antony/13009105
  • 8dari buah dan sayur dapat ditingkatkan dengan mengurangi rasa pahit berlebihdengan infusi enzim pektinase dan β-glukosidase. Gambar 1.4. Perbedaan hasil cucian dengan deterjen tanpa selulase dan ada selulase (sumber: Flickinger dkk, 1999) Dalam produksi wine, enzim seperti pektinase, glukanase, danhemiselulase berperan penting dengan meningkatkan ekstraksi warna, klarifikasilapuk, filtrasi, dan terakhir stabilitas dan kualitas wine. Pembuatan birberdasarkan pada aktivitas enzim selama fermentasi. Endoglukanase daneksoglukanase dari selulase Trichoderma berperan dalam reduksi maksimumdari derajat polimerisasi dan viskositas (Sukumaran dkk, 2005).4. Industri kertas dan pulpAplikasi selulase dalam industri pulp dan kertas telah meningkat selama dekadeterakhir. Proses pulping mekanik dengan menggunakan selulase dapatmenghemat energi 20-40% selama refining dan meningkatkan kekuatanlembaran. Endoglukanase juga dapat mengurangi viskositas pulp denganmenurunkan derajat hidrolisis. Selulase sendiri atau campurannya dengan xilanase dapat digunakanuntuk proses deinking berbagai jenis limbah kertas. Aplikasi yang ada sekarangkebanyakan menggunakan selulase dan hemiselulase untuk melepaskan tintadari permukaan fiber dengan hidrolisis parsial molekul karbohidrat. Keuntungan Antony/13009105
  • 9 penggunaan enzim untuk proses deinking adalah mengurangi penggunaan alkali, meningkatkan kecerahan fiber, mempertahankan kekuatan kertas, dan mengurangi partikel-partikel halus dalam pulp. Akan tetapi penggunaan enzim untuk proses deinking tidak boleh berlebihan karena dapat mengurangi ikatan antarfiber (Kuhad dkk, 2011). 5. Biofuel Penggunaan selulase untuk menghasilkan biofuel merupakan bidang yang paling populer dikembangkan saat ini terkait aplikasi selulase. Bahan lignoselulosa (selulosa, hemiselulosa, dan lignin) sangat berlimpah sehingga berpotensi besar menjadi sumber bioenergi yang murah. Mikroorganisme dengan sistem selulase yang berpotensi untuk mengubah biomassa menjadi alkohol secara langsung telah ditemukan. Akan tetapi, proses produksi komersial masih memerlukan biaya tinggi sehingga tidak dapat berkompetisi dengan produk dari bahan baku lain. Beberapa faktor dalam proses mengurangi produktivitas biofuel di antaranya inhibisi produk terhadap enzim selulase, deaktivasi termal, ikatan nonspesifik pada lignin, dan adsorpsi irreversibel enzim pada substrat yang heterogen (Kuhad dkk, 2011). Untuk itu, pengembangan lebih lanjut terkait teknologi pengubahan biomassa lignoselulosa menjadi biofuel perlu dilakukan. Saat ini, proses yang mungkin dilakukan adalah produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa secara multitahap. Pre-treatment terhadap bahan baku perlu dilakukan untuk mengurangi/menghilangkan kandungan lignin dan hemiselulosa. Selanjutnya selulosa dihidrolisis menjadi glukosa dan gula lainnya dengan selulase. Kemudian proses produksi bioetanol dilakukan dengan fermentasi menggunakan glukosa dan gula hasil hidrolisis tersebut. Untuk menekan biaya produksi enzim selulase, dapat dilakukan on-site production, karena penggunaan enzim murni sangat tidak ekonomis (Sukumaran, 2005). Pengembangan lainnya yang dapat dilakukan adalah penggunaan ulang enzim selulase, pencegahan adsorpsi enzim pada bahan lignin, dan peningkatan produktivitas enzim dari mikroorganisme, baik dengan pengaturan kondisi maupun rekayasa genetik. Selain aplikasi-aplikasi yang telah disebutkan, enzim selulase juga banyakdigunakan di berbagai industri lainnya, seperti pertanian, ekstraksi karotenoid, ekstraksiminyak zaitun, pengolahan limbah, hingga bidang medikal. Antony/13009105
  • 101.4 Potensi di IndonesiaBerbagai aplikasi dari enzim selulase menjadikannya sangat potensial untuk diproduksi,terutama di Indonesia. Selulase dapat digunakan secara luas dalam industri tekstil, pulpdan kertas, deterjen, makanan, hingga pengolahan limbah. Pengembangan terbaruaplikasi selulase adalah pembuatan biofuel dengan bahan baku selulosa. Indonesia merupakan negara pertanian, dengan produksi padi yang cukup besar.Menurut angka ramalan dari data BPS tahun 2011, luas lahan pertanian padi Indonesiamencapai 13,26 juta hektar dengan produksi padi rata-rata 5 ton/hektar. Menurut BadanLitbang Departemen Pertanian, tiap hektar sawah dapat menghasilkan 12-15 ton jeramisegar untuk sekali panen. Hal ini menunjukkan betapa besarnya limbah pertanianIndonesia jika tidak dimanfaatkan. Jerami padi tersebut umumnya dibakar untukdijadikan pupuk dan sebagian sebagai pakan ternak. Mengingat kandungan selulosayang cukup tinggi dalam jerami tersebut yaitu sekitar 30% (Lehninger, 2008), makabahan tersebut sangat potensial untuk menghasilkan enzim selulase. Di samping jerami padi, Indonesia juga memiliki bahan baku potensial lainnyauntuk produksi enzim selulase, seperti tandan kosong kelapa sawit, tanaman nonpangandengan kandungan lignoselulosa tinggi seperti jarak pagar (Jatropha curcas), mabai(Pongamia pinnata), nyamplung (Calophyllum inophyllum), dan tanaman berkayutumbuh cepat seperti akasia (Acacia sp.), cemara (Casuarina equisetifolia), kayu putih(Eucalyptus sp.) dan tanaman lainnya (Soerawidjaja, 2009). Terjadinya krisis energi global mendorong pemanfaatan enzim selulase untukmenghasilkan biofuel. Pemanfaatan bahan baku mengandung lignoselulosa untukmenghasilkan enzim selulase dapat diintegrasikan dengan proses produksi bioetanoldari bahan tersebut. Hal ini dapat mengurangi biaya produksi di samping mengatasikebutuhan akan sumber energi alternatif. Bioetanol dari bahan lignoselulosa dikatakansebagai bioetanol generasi kedua, karena memanfaatkan sumber bahan baku yangmelimpah dengan teknologi yang lebih maju. Skema pemanfaatan bahan lignoselulosadan selulase untuk pembuatan bioetanol dapat dilihat pada Gambar 1.5. Hingga saat ini,produksi komersial bioetanol belum terwujud akibat tingginya biaya produksi, terutamadi bagian produksi enzim. Oleh karena itu, Indonesia sebagai negara dengan sumberkeanekaragaman yang tinggi sangat berpotensi untuk mengembangkan teknologimenghasilkan enzim selulase dan bioetanol dari bahan lignoselulosa yang kompetitif. Antony/13009105
  • 11Gambar 1.5. Dua contoh skema produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa memanfaatkan enzim selulase (sumber: Soerawidjaja, 2009) Antony/13009105
  • BAB II POKOK BAHASAN2.1 Mikroba Penghasil SelulaseMikroba penghasil selulase umumnya merupakan pengurai karbohidrat dan tidak dapatmemanfaatkan protein atau lipid sebagai sumber energi. Mikroba penghasil selulaseterutama bakteri Cellulomonas dan Cytophaga serta kebanyakan fungi dapatmengutilisasi berbagai jenis karbohidrat lainnya selain selulosa, sedangkan spesiesmikroba selulolitik anaerobik terbatas pada selulosa dan/atau produk hidrolisisnya.Contoh-contoh utama mikroorganisme penghasil selulase dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tidak semua mikroorganisme yang dapat mengutilisasi selulosa sebagai sumberenergi menghasilkan kompleks enzim selulase yang lengkap. Hanya beberapa strainyang dapat menghasilkan kompleks enzim selulase yang terdiri dari tiga komponenutama yaitu endo-β-glukanase, ekso-β-glukanase, dan β-glukosidase. T. reeseimerupakan salah satunya dengan kemampuan menghasilkan enzim selulase dalamjumlah besar. Mikroba yang digunakan secara komersial untuk produksi enzim selulaseumumnya terbatas pada T. reesei, H. insolens, A. niger, Thermomonospora fusca, danBacillus sp. (Sukumaran dkk, 2005). Trichoderma reesei Gambar 2.1. Trichoderma reesei strain QM6a (sumber: www.science.energy.gov) 12
  • 13 Tabel 2.1. Mikroorganisme penghasil selulase (sumber: Sukumaran dkk, 2005) Mikroorganisme Kelompok Genus Spesies Aspergillus A. niger A. nidulans A. oryzae (rekombinan) Fusarium F. solani F. oxysporum Humicola H. insolens H. grisea Fungi Melanocarpus M. albomyces Penicillium P. brasilianum P. occitanis P. decumbans Trichoderma T. reesei T. longibrachiatum T. harzianum Acidothermus A. cellulolyticus Bacillus Bacillus sp. Bacillus subtilis Bacteria Clostridium C. acetobutylicum C. thremocellum Pseudomonas P. cellulosa Rhodothermas R. marinus Cellulomonas C. fimi C. bioazotea C. uda Streptomyces S. drozdowiczii Actinomycetes S. sp S. lividans Thermomonospora T. fusca T. curvata Genus Trichoderma mencakup kelompok ascomycetes yang digunakansecara luas dalam industri karena kemampuannya menghasilkan enzim hidrolaseekstraselular untuk degradasi lignoselulosa dalam jumlah besar (Miettinen,2004). Trichoderma reesei (Gambar 2.1) yang dikenal juga sebagai Hypocreajecorina merupakan fungi mesofilik dengan kemampuan tinggi menghasilkanenzim selulase secara efisien. Strain industrial dari Trichoderma reesei mampumencapai produksi protein ekstraselular hingga 100 g/L (Xiong, 2004).Keunggulan lain dari T. reesei adalah mudah dan murah dikultivasi, tergolongmikroorganisme yang aman karena tidak bersifat patogen dan tidakmenghasilkan mycotoksin atau antibiotik dalam kondisi produksi enzim. Antony/13009105
  • 14 Selulase yang dihasilkan juga resisten terhadap inhibitor kimia dan stabil di dalam reaktor tangki berpengaduk pada pH 4,8, 50oC selama 48 jam atau lebih. Kelemahannya adalah Trichoderma reesei tidak menghidrolisis lignin dan selulase yang dihasilkan memiliki aktivitas spesifik yang rendah, terinhibisi oleh produk, mengandung sedikit selobiase, dan mengalami inaktivasi pada temperatur di atas 50oC (Ryu dkk, 1980). Untuk meningkatkan produktivitas enzim selulase, berbagai strain mutan T. reesei telah dikembangkan dari strain induk T. reesei QM6a yang diisolasi oleh Natick Laboratory. Mutasi strain umumnya dilakukan dengan perlakuan sinar ultraviolet maupun perlakuan dengan nitrosoguanidine (FAO, 1997). Tabel 2.2 menunjukkan perkembangan strain mutan T. reesei dari jenis T. reesei QM6a. Tiap strain mutan memiliki karakteristiknya masing-masing dalam menghasilkan jumlah enzim selulase. Salah satu pengujian produktivitas strain mutan dilakukan oleh FAO (1997) dengan menggunakan kultur batch dalam fermentor 5 L. Sumber karbon yang digunakan adalah Avicel dengan konsentrasi 6%. Temperatur diatur pada 28oC dan fermentasi selama 7 hari. Perbandingan produktivitas selulase dapat dilihat pada Tabel 2.3.Tabel 2.2. Beberapa jenis mutan Trichoderma reesei produksi selulase kadar tinggi (sumber: Xiong, 2004) Antony/13009105
  • 15 Tabel 2.3. Produktivitas selulase dari mutan T. reesei dalam kultur batch (sumber: FAO, 1997) Mutant CMCase FPU ß-Glucosidase Extracellular (U/ml) (U/ml) (U/ml) protein (mg/ml) QM-941 4 60 6.1 3.2 10 KY-746 88 7.2 3.5 11 K-14 106 12 1.1 17 KDR-27 150 18 2.9 20 KDG-3 324 19.5 7.7 23 PC-3-7 345 21 6.7 24 PCD-10 385 22.4 6.4 28 CDU-11 330 19 17.4 23 5-L jar fermentor, 6% Avicel, 28/C, 7 days2.2 Subtrat dan Medium FermentasiMenurut Mandels dkk. (1956), T. reesei dapat tumbuh pada susbtrat selulosa, laktosa,glukosa, dan selobiosa. Selulosa dan laktosa merupakan induser gen selulase, sedangkanglukosa bukan induser. Konsentrasi glukosa awal yang tinggi diperlukan untuk produksiselulase, tetapi selulase tidak muncul hingga glukosa dipisahkan dari medium. Beberapasenyawa yang mungkin terbentuk dari glukosa seperti pati, maltosa, trehalosa, dan β-metil glukosida, mendukung pertumbuhan yang baik tetapi tidak menginduksi selulase.Kemungkinannya adalah glukosa dimetabolisme menjadi induser lain seperti β-glukosida. Penelitian lebih lanjut oleh Mandels dkk. (1959) menunjukkan bahwa selobiosajuga merupakan induser bagi produksi selulase. Untuk menjadi induser, suatu senyawaharus dapat mencapai sisi produksi enzimnya. Selulosa merupakan senyawa yang tidaklarut dalam air, sehingga pada saat itu diragukan kemampuannya sebagai induser bagiproduksi selulase. Beberapa senyawa turunan selulosa yang dapat larut tidak dapatmenjadi induser yang baik untuk produksi selulase. Induser alami yang baik merupakanhasil hidrolisis selulosa. Oleh karena itu, mekanisme produksi selulase dengan induserselulosa yang tidak larut dijelaskan sebagai berikut. 1. Pada keadaan tidak terinduksi, mikroorganisme tetap menghasilkan enzim selulase dalam jumlah sedikit. 2. Enzim tersebut kemudian menyerang selulosa dan menghidrolisisnya menjadi senyawa lain termasuk selobiosa. 3. Senyawa hasil hidrolisis tersebut menjadi induser sehingga dihasilkan enzim selulase lebih banyak untuk hidrolisis selulosa. Antony/13009105
  • 16 Meskipun substrat selobiosa (4-O-β-D-Glucopyranosyl-β-D-glucopyranose)merupakan induser bagi produksi selulase, akan tetapi perolehan enzimnya lebih rendahdibanding menggunakan substrat selulosa. Hal ini disebabkan karena faktor inhibisi daninaktivasi. Untuk mengatasinya, laju pertumbuhan perlu diperlambat. Berdasarkan laporan dari Natick Laboratory (1981), T. reesei juga dapatmenggunakan sophorosa (Gambar 2.2) sebagai indusernya. Pada konsentrasi 10-5 M,sophorosa (2-O-β-D-Glucopyranosyl-α-D-glucopyranose) merupakan induser yang baikbagi endo- dan ekso-β-1,4-glukanase, tetapi tidak menginduksi selobiase. Laktosa jugamerupakan induser yang baik, akan tetapi perolehan enzim tertinggi diperoleh jikaselulosa yang menjadi indusernya. Gambar 2.2. Perbandingan struktur beberapa substrat induser enzim selulase; kiri: sophorosa; tengah: salisin; kanan: selobiosa (sumber: www.chemspider.com) Penggunaan substrat selulosa untuk produksi enzim selulase memerlukan biayatinggi karena substrat murni selulosa cukup mahal. Penggunaan substrat lain sepertilaktosa, sophorosa, selobiosa, salisin, dan senyawa hidrolisis selulosa lainnya dapatmenginduksi enzim selulase. Akan tetapi perolehan enzim selulase lebih rendahdibanding substrat selulosa. Cara lain yang dapat dilakukan untuk menekan biayaproduksi dan mendapatkan produktivitas cukup tinggi adalah menggunakan campuransubstrat tersebut. Penelitian yang marak dilakukan sekarang adalah memanfaatkanbahan yang lebih murah sebagai substrat seperti jerami padi dan limbah pertaniandengan kadar lignoselulosa tinggi. Mandels dkk. (1956) menemukan bahwa beberapa ion logam diperlukan untukproduksi selulase. Magnesium (Mg2+) diperlukan untuk produksi selulase, tetapi ketikakonsentrasinya ditingkatkan, menunjukkan aktivitas inhibisi. Kalsium diperlukan untuk Antony/13009105
  • 17menghasilkan selulase, tetapi tidak untuk pertumbuhan kecuali dalam selulosa murni.Ion anorganik lain yang diperlukan adalah mangan, zinc, fosfat, sulfat, kobalt, dan besi. Tabel 2.4 menunjukkan komposisi larutan anorganik untuk medium fermentasidengan menggunakan mikroorganisme T. reesei. Bahan lain yang perlu ditambahkansebagai medium fermentasi meliputi substrat (selulosa atau substrat lain), anti-foaming,dan ekstrak ragi (Warzywoda dkk, 1988). Menurut Cho (1990), proses fermentasimenggunakan T. reesei harus dilakukan dalam kondisi aerobik. Udara dengankandungan 6 hingga 12 persen oksigen dapat digunakan (umumnya 10 persen). Campuran medium fermentasi dengan komposisi tertentu kemudian disterilkandan diatur kondisinya. Warzywoda dkk. (1988) dalam prosesnya menggunakan 0,5 Lcampuran pada Tabel 2.4, 2 gram ekstrak ragi, 160 gr selulosa, dan 2 mL anti-foam.Medium tersebut kemudian dimasukkan ke dalam fermentor dan disterilisasimenggunakan autoklaf selama 20 menit pada temperatur 120oC. Setelah didinginkan,temperatur medium diatur pada 27oC dan pH 5. Fermentor kemudian dicampurkandengan 200 mL kultur cair T. reesei (dalam percobaan Warzywoda menggunakan strainCL847). Tabel 2.4. Komposisi garam anorganik untuk medium fermentasi T. reesei (sumber: Warzywoda dkk, 1988) No. Garam Anorganik Komposisi 1. Kalium hidroksida (KOH) 3,32 g/L 2. Asam fosfat 85% (H3PO4) 4 mL/L 3. Amonium sulfat ((NH4)2SO4) 5,6 g/L 4. Magnesium sulfat (MgSO4.7H2O) 1,2 g/L 5. Kalsium klorida (CaCl2) 1,2 g/L 6. Mangan sulfat (MnSO4) 6,4 mg/L 7. Zinc sulfat (ZnSO4.7H2O) 5,6 mg/L 8. Kobalt klorida (CoCl2) 8 mg/L 9. Besi sulfat (FeSO4.7H2O) 20 mg/L2.3 Biosintesis SelulaseSelulase merupakan sistem enzim induktif. Induser terbaik adalah selulosa untukmenghasilkan kompleks selulase yang lengkap. Disakarida seperti laktosa, sophorosa(dua unit glukosa dengan ikatan β-1,2), dan selobiosa juga dapat menginduksi selulase. Antony/13009105
  • 18Dalam kondisi terinduksi, gen selulase (cbh1, cbh2. egl1, egl2, egl 4, dan egl5)menunjukkan aktivitas ekspresi secara terkoordinasi, dan ekspresi gen cbh1 palingtinggi. Gen egl3 berekspresi ketika diinduksi oleh sophorosa. Gen cbh merupakan genenkoding selobiohidrolase dan gen egl merupakan gen enkoding endoglukanase. Gen selulase mengalami represi jika terdapat glukosa oleh CRE1 (carboncatabolite repressor element). Faktor transkripsi activator of cellulase expression(ACE1 dan ACE2) dikenal mengatur promotor selulase dalam T. reesei. ACE2 akanberikatan dengan promotor cbh1, dan merupakan aktivator dari gen selulase utama didalam kultur dengan selulosa sebagai induser. ACE1 juga mengikat promotor cbh1.Delesi ace1 akan berakibat pada peningkatan ekspresi semua gen selulase utama didalam kultur dengan sophorosa dan selulosa sebagai induser, yang menunjukkan bahwaACE1 bertindak sebagai represor ekspresi selulase. Penelitian tentang jalur sekresi protein dengan mekanisme molekular padasistem fungi filamentous termasuk T. reesei dilakukan untuk meningkatkan efisiensisekresi protein. Dalam fungi, pembentukan struktur protein, glikosilasi, pembentukanikatan disulfida, fosforilasi, dan perangkaian subunit terjadi dalam retikulumendoplasma (ER). Peristiwa yang berhubungan dengan ER berkontribusi dalampembentukan protein dan dipercaya menjadi penyebab rendahnya perolehan dari produkheterologous. Mekanisme UPR (unfolded protein response) mendeteksi keberadaanprotein yang belum folding (melipat) dan menginduksi sintesis enzim yang terlipat atauterbentuk struktur tiga dimensinya. Gen pdi1 berperan dalam enkoding protein disulfida isomerase, sebuah ERfoldase, yang telah diisolasi dari T. reesei. Promotor pdi1 memiliki dua elemenpotensial UPR (unfolded protein response) dan menunjukkan bahwa gen berada dibawah kendali jalur UPR. Gen hac1 untuk enkoding faktor transkripsional UPR jugatelah diidentifikasi. Pada mikroorganisme eukariotik, protein berpindah dari ER ke badan Golgi,tempat modifikasi tambahan (glikosilasi) berlangsung. Struktur dan fungsi dari proteinyang disekresi dapat berubah selama proses glikosilasi. Secara umum, fungi filamentousmenghasilkan lebih banyak manosa tipe N-glikan dan O-glikosilasi yang efektif. O-glikosilasi berperan penting dalam sekresi endoglukanase (EG1 dan EG2) dalam T.reesei. Protein yang ada di vesikel sekretori dikemas dan ditujukan ke membran plasmauntuk disekresikan. Jalur sekresi juga melibatkan transport dari ER melewati kompleksGolgi menuju membran plasma T. reesei (Miettinen, 2004). Antony/13009105
  • 192.4 Proses Produksi Enzim SelulaseProduksi selulase secara mikrobial kebanyakan menggunakan teknologi fermentasisubmerged (SmF) dan mikroorganisme yang digunakan sebagian besar adalah T. reesei.Akan tetapi di alam, pertumbuhan dan penggunaan selulosa oleh mikroorganismeaerobik menghasilkan selulase cenderung berupa fermentasi solid state dibanding kulturcair. Keuntungan dalam hal pengendalian dan penanganan untuk kultur submergedmasih menjadi prioritas industri (Sukumaran, 2005). Produksi selulase di dalam kultur merupakan growth associated dan dipengaruhioleh berbagai faktor dan interaksinya. Dari semua induser gen selulase, laktosa adalahsatu-satunya yang paling ekonomis untuk dijadikan sebagai aditif dalam mediumfermentasi industrial. Sumber karbon yang digunakan untuk fermentasi selulasekomersial umumnya adalah biomassa berbahan selulosa termasuk jerami, sisa tanaman,bagasse, limbah pabrik kertas, dan berbagai bahan lignoselulosa lainnya. Kebanyakanproses dilakukan secara batch, dan pengembangan ke arah fed-batch dan kontinu terusdilakukan karena memungkinkan produktivitas yang tinggi dengan mengurangi represiakibat akumulasi gula pereduksi. Fermentasi solid state semakin diminati karena diyakini dapat mengurangi biayaproduksi, tidak hanya dalam produksi enzim tetapi juga konversi bahan lignoselulosaoleh mikroorganisme selulolitik. Akan tetapi untuk produksi skala besar, prosessubmerged masih lebih diminati. Beberapa contoh produksi enzim selulase denganmenggunakan proses berbeda dan skala yang diaplikasikan dapat dilihat pada Tabel 2.5. Berbagai proses untuk produksi selulase telah dikembangkan denganmenggunakan berbagai jenis mikroba. Warzywoda dkk. (1988) mempatenkan prosesproduksi selulase yang terdiri dari dua tahapan: 1. Tahap pertama: Fermentasi secara aerobik medium kultur yang mengandung T. reesei, senyawa nutrisi, dan sejumlah kecil selulosa dan gula. 2. Tahap kedua: Fermentasi aerobik secara kontinu dengan menambahkan gula pada kecepatan tertentu, sehingga konsentrasi gula di dalam fermentor tetap di bawah 0,3%-berat.Tahap pertama dijalankan dengan fermentasi aerobik menggunakan medium kulturmengandung strain T. reesei, garam anorganik, substrat karbon awal (minimal satu jenisbahan mengandung selulosa) seperti pulp kertas atau selulosa murni, dan minimal satujenis gula terlarut, umumnya laktosa. Tahap pertama dijalankan secara kontinu tanpa Antony/13009105
  • 20penambahan gula terlarut hingga waktu yang diperlukan untuk mengkonsumsisedikitnya 10% gula dan diperoleh konsentrasi gula di bawah 0,3%-berat. Penambahangula terlarut dilakukan pada tahap kedua. Tabel 2.5. Produksi selulase-mikroorganisme, substrat, metode, dan skala yang digunakan (sumber: Sukumaran, 2005) Mikroorganisme Substrat Metode Skala Aspergillus niger A20 Selulosa SmF Labu kocok A. niger NRRL3 Kulit gandum SSF Labu Bacillus pumilus CMCellulose atau SmF Labu kocok Gliserol Bacillus subtilis Sisa industri kedelai SSF Bioreaktor silinder Melnocarpus Flok solka SmF Fermentor 700L albomyces Penicillium decumbans Jerami gandum SSF Bioreaktor SSF Streptomyces sp. T3-1 Selulosa SmF Fermentor 50L karboksimetil Trichoderma reesei Xilosa/sorbosa SmF- Bioreaktor kontinu T. reesei Willow dengan SmF Fermentor 22L perlakuan steam T. reesei RUT C30 Selulosa SmF Bioreaktor dispersi mikrogelembung T. reesei ZU 02 Sisa tongkol jagung SSF Fermentor tray T. viridae Bagasse tebu SmF Labu kocok Berikut salah satu contoh proses yang diuraikan oleh Warzywoda (1988) didalam patennya. Sebuah larutan garam anorganik dengan komposisi seperti pada Tabel2.4 dibuat. Sebuah fermentor yang mengandung 0,5 liter larutan garam anorganiktersebut dicampur dengan 1,3 liter air, 2 gram ekstrak ragi, 25 gram pulp kertas, 2 mLTween 80 (produk dagang), 2 mL anti-foam, dan 7,5 gram laktosa. Fermentor kemudiandisterilisasi dengan autoklaf selama 20 menit pada 120oC. Setelah didinginkan,temperatur medium diatur pada 27oC dan pH 5. Ke dalam fermentor kemudianditambahkan 200 mL kultur cair T. reesei strain CL847. Temperatur dipertahankan pada27oC selama 24 jam pertama, kemudian diatur pada 25oC hingga periode kultivasi yangdiperlukan. Selama periode kultivasi, pH diatur 5 dengan menambahkan larutan amonia. Antony/13009105
  • 21Konsentrasi oksigen terlarut dalam kultur dipertahankan 15%-berat dari konsentrasijenuh dengan pengaturan kecepatan stirrer dan laju aerasi. Setelah 23 jam, konsentrasilaktoda dalam cairan (broth) fermentasi adalah 1,2 g/L, sehingga dilakukan penambahanlarutan gula (laktosa) steril. Larutan gula dibuat dari campuran laktosa dan larutangaram anorganik sebelumnya. Untuk 1 liter larutan gula terkandung 250 gram laktosadan 0,625 liter larutan garam anorganik. Laju alir larutan gula ke dalam fermentor diatursehingga konsentrasi laktosa tidak mencapai 2 g/L selama periode kultivasi. Rata-ratalaju alir laktosa adalah 1,9 gram/jam hingga jam ke-100 dan 2,25 gram/jam hingga akhirperiode kultivasi. Setelah 145 jam, 1 liter larutan gula telah dimasukan ke dalam kultur.Proses dihentikan, dan hasil analisis menunjukkan bahwa 246 unit selulase diperolehuntuk tiap gram substrat karbon. Zhuang (2006) dalam publikasinya membandingkan proses produksi enzimselulase dengan cara fermentasi submerged (SmF) dan solid state cultivation (SSC).Jika fermentasi dilakukan secara submerged maka diperlukan proses downstream untukmendapatkan enzim dari cairan hasil fermentasi, sedangkan fermentasi solid state tidakmemerlukannya (Gambar 2.3). Dalam proses produksi enzim secara SmF (Gambar 2.4), mikroba awal(contohnya C. thermocellum) disiapkan dan dipindahkan dari pendingin/freezer (-80oC)ke dalam labu kocok steril (SFR-101) yang mengandung medium dan selulosa. Kulturdifermentasi pertama kali dalam labu kocok (SFR-101), kemudian dipindahkan kefermentor bibit #1 (SF-101) dan fermentasi kedua kali, dengan medium dan selulosa(substrat) yang disiapkan oleh media blender #1 (MB-101) dan heat sterilizer #1 (HS-101). Kemudian kultur dipindahkan ke fermentor bibit #2 (SF-102) dan fermentasiketiga kali, dengan medium dan selulosa dari media blender #2 (MB-102) dan heatsterilizer #2 (HS-102). Terakhir kultur dipindahkan ke fermentor cair utama (LF-101)dan difermentasi keempat kali, menggunakan substrat pulp kertas yang sebelumnyadisimpan pada sebuah hopper (HP-101). Medium terpisah dimasukkan ke dalamfermentor cair utama. Emisi gas yang dihasilkan oleh fermentor dikeluarkan melaluimixer (MX-101) dan penyaring udara (AF-101). Produk dari fermentor cair utamaadalah enzim selulase, dengan campuran beberapa residu dan air. Sebuah konsentrator(EV-101) digunakan untuk menghilangkan air, dan sebuah freeze-dryer (FDR-101)digunakan untuk menghilangkan air lebih lanjut membentuk produk akhir-selulase.Konsentrasi dan freeze-drying merupakan proses downstream untuk proses SmF. Antony/13009105
  • 22 Untuk metode SSC (Gambar 2.5), hampir sama dengan proses SmF, dengandua perbedaan akibat substrat yang digunakan dalam bentuk solid. 1. Pulp kertas dan medium disterilisasi dalam drum sterilizer (SD-101), diaduk dan dicampur dengan kultur dari fermentor bibit #2 (SF-102) dan dipindahkan ke fermentor padat utama (SMF-101) menggunakan conveyor steril (SC-101). Penggunaan drum sterilizer dikarenakan pengadukan sangat susah dilakukan dalam fermentor padat. 2. Produk akhir-selulase dihasilkan dari fermentor padat dan jika ingin digunakan secara on-site tidak memerlukan proses lebih lanjut. Proses on- site misalnya untuk konversi bahan lignoselulosa menjadi bioetanol secara langsung. Gambar 2.3. Diagram blok produksi enzim secara fermentasi submerged dan solid state (sumber: Zhuang, 2006) Antony/13009105
  • 23Gambar 2.4. Spesifikasi proses untuk produksi enzim selulase dengan metode fermentasi submerged (sumber: Zhuang, 2006) Antony/13009105
  • 24Gambar 2.5. Spesifikasi proses untuk produksi enzim selulase dengan metode fermentasi solid state (sumber: Zhuang, 2006) Antony/13009105
  • 2.5 Perolehan Produk SelulaseProduksi enzim selulase dipengaruhi oleh berbagai faktor di antaranya jenismikroorganisme, jenis substrat, proses fermentasi, nutrisi, hingga kondisi operasi. Tabel2.6 menunjukkan pengaruh jenis substrat terhadap perolehan enzim selulase (Cx) untukberbagai mikroorganisme. Gambar 2.6 dan Gambar 2.7 menunjukkan pengaruh pHdan temperatur terhadap perolehan selulase (mikroorganisme yang digunakan adalahAspergillus niger NRRL567). Pengaruh kondisi operasi seperti pH dan temperatursangat signifikan terhadap perolehan selulase. Oleh karena itu, sebelum prosesfermentasi perlu diketahui pH dan temperatur optimum operasi. Tabel 2.6. Produksi selulase oleh fungi pada berbagai substrat (sumber: Mandels dkk, 1959) 25
  • 26Gambar 2.6. Produktivitas selulase oleh A. niger NRRL567 pada berbagai pH (sumber: Ghori, 2001)Gambar 2.7. Produktivitas selulase oleh A. niger NRRL567 pada berbagai pH (sumber: Ghori, 2001) Antony/13009105
  • DAFTAR PUSTAKAAllen, F., Andreotti, R., Eveleigh, D.E., dan Nystrom, J. 2009. Mary Elizabeth Hickox Mandels, 90, Bioenergy Leader. Journal of Biotechnology for Biofuels. 1 September 2009, Vol 2:22.American Chemical Society. 2012. History of the Division: Cellulose, Paper and Textile. ACS-Cellulose and Renewable Materials Division. Revisi: 12 Maret 2012. (http://cell.sites.acs.org/history.htm#cellulose. Akses: 12 Mei 2012)Badan Pusat Statistik. 2011. Laporan Bulanan: Data Sosial Ekonomi, Edisi Maret 2011. Jakarta: Badan Pusat Statistik.Belitz, H.D., Grosch, W., dan Schieberle, P. 2008. Food Chemistry, 4th ed. Berlin: Springer-Verlag. (hal: 327-337)Cho, M.Y. 1990. Fermentation of Trichoderma reesei and Apparatus Therefor. United States Patent, No. 4952505. 28 Agustus 1990.FAO. 1997. Renewable Biological Sytems for Alternative Sustainable Energy Production. FAO Agricultural Services Buletin-128.Flickinger, M.C. dan Stephen W.D. 1999. Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis, and Bioseparation. New York: John Wiley & Sons, Inc. (hal: 964-966, 1095-1103, 1895-1904)Ghori, M.I. 2001. Production and Kinetic Study of Cellulases From Agricultural Wastes. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in Chemistry: Bahauddin Zakryia University, Pakistan.Kuhad, R.C., Gupta, R., dan Singh, A. 2011. Microbial Cellulases and Their Industrial Applications. Review Article of Enzyme Research. 9 Juli 2011, Vol. 2011, 10 pages.Mandels, M. dan Reese, E. 1956. Induction of Cellulase in Trichoderma viride as Influenced by Carbon Sources and Metals. Journal of Bacteriology. 23 Agustus 1956, Vol 73(2), pp. 269-278.Mandels, M. dan Reese, E. 1959. Induction of Cellulase in fungi by Cellobiose. Journal of Bacteriology. 19 Oktober 1959, Vol 79(6), pp. 816-826.Miettinen, A. 2004. Trichoderma reesei Strains for Production of Cellulases for the Textile Industry. Helsinki: VTT Biotechnology. 27
  • 28Natick R&D. 1981. Enzymantic Hydrolisis of Cellulose to Glucose. A Report on the Natick Program, Natick, Massachusetts.Nelson, D.L. dan Cox, M.M. 2008. Lehninger Principles of Biochemistry, 5th ed. New York: W.H. Freeman and Company. (hal: 245-249)Ryu, D.D.Y. dan Mandels, M. 1980. Cellulases: Biosynthesis and Applications. Journal of Enzyme Microb. Technol. April 1980, Vol 2, pp. 91-102.Soerawidjaja, T.H. 2009. Kimia Ringkas dan Sumber-sumber Potensial Bahan Nabati. Disampaikan dalam kuliah Teknologi Kemurgi, Teknik Kimia-ITB.Sukumaran, R.K., Singhania, R.R., dan Pandey, A. 2005. Microbial Cellulases- Production, Applications, and Challenges. Journal of Scientific & Industrial Research. November 2005, Vol. 65, pp. 832-844.Warzywoda, M., Ferre, V., dan Pourquie, J. 1988. Process for Producing Cellulolytic Enzymes. United States Patent, No. 4762788. 9 Agustus 1988.Xiong, H. 2004. Production and Chareacterization of Trichoderma reesei and Thermomyces lanuginosus Xilanases. Dissertation for the degree of Doctor of Science in Technology: Helsinki University of Technology, Finlandia.Zhuang, J. 2006. Economic Analysis of Cellulose Production Methods for Bioethanol: Comparison of Liquid Versus Solid State Cultivation Approaches Using Superpro Designer. Madison: University of Winsconsin. Antony/13009105