PROSES DAN OPTIMASI MATEMATIK PRODUKSI POLYHYDROXYBUTYRATE OLEH BAKTERI AMILOLITIK Bacillus cereus IFO 13690.
Dr. Margono, S.T., M.T. Lahir di Klaten, 7 Nopember 1968. Pria yang memiliki
NIP 196811071997021001 adalah staf pengajar di Fakultas Teknik UNS.
Riwayat pendidikan tinggi yang berhasil diselesaikannya adalah tahun 1993
lulus sarjana (S-1) dari Universitas Gadjah Mada untuk bidang ilmu: Teknik
Kimia, tahun 2002 lulus Magister (S-2) dari Universitas Gadjah Mada untuk
bidang ilmu: Teknik Kimia, dan berhasil meraih gelar Doktor (S-3) dari
Universitas Gadjah Mada untuk bidang ilmu: Biologi pada tahun 2011. Judul
dan ringkasan Disertasi disajikan dalam 2 (dua) versi bahasa Indonesia dan
English sebagai berikut.
PROSES
DAN
OPTIMASI
MATEMATIK
PRODUKSI
POLYHYDROXYBUTYRATE OLEH BAKTERI AMILOLITIK Bacillus cereus
IFO 13690. 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 NH 4+/L.
Kondisi proses meliputi suhu 30 oC, pH produksi 5,6 dan oksigen terlarut (DO) 1 10 % udara jenuh. Percobaan fed batch (termasuk percobaan verifikasi) dilakukan
dalam 2 fermentor, masing-masing 5 L dan 20 L dengan volume kerja 2 – 3,1 dan
10 – 14,57 L yang terdiri dari 10 % inokulum dan 90 % medium produksi. Kondisi
proses meliputi suhu 30 oC, 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 NH 4+/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 oC, 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 gNH 4+/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).
PROCESS AND MATHEMATICAL OPTIMIZATION OF POLYHYDROXYB
UTYRATE PRODUCTION USING AMYLOLYTIC BACTERIA BACILLUS
CEREUS IFO 13690. 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 oC, 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 oC, 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 NH 4+/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 NH 4+/L, initial
feeding at 8 hours after exponential growth started and the process conditions
were temperature of 30 oC, 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).
NIP 196811071997021001 adalah staf pengajar di Fakultas Teknik UNS.
Riwayat pendidikan tinggi yang berhasil diselesaikannya adalah tahun 1993
lulus sarjana (S-1) dari Universitas Gadjah Mada untuk bidang ilmu: Teknik
Kimia, tahun 2002 lulus Magister (S-2) dari Universitas Gadjah Mada untuk
bidang ilmu: Teknik Kimia, dan berhasil meraih gelar Doktor (S-3) dari
Universitas Gadjah Mada untuk bidang ilmu: Biologi pada tahun 2011. Judul
dan ringkasan Disertasi disajikan dalam 2 (dua) versi bahasa Indonesia dan
English sebagai berikut.
PROSES
DAN
OPTIMASI
MATEMATIK
PRODUKSI
POLYHYDROXYBUTYRATE OLEH BAKTERI AMILOLITIK Bacillus cereus
IFO 13690. 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 NH 4+/L.
Kondisi proses meliputi suhu 30 oC, pH produksi 5,6 dan oksigen terlarut (DO) 1 10 % udara jenuh. Percobaan fed batch (termasuk percobaan verifikasi) dilakukan
dalam 2 fermentor, masing-masing 5 L dan 20 L dengan volume kerja 2 – 3,1 dan
10 – 14,57 L yang terdiri dari 10 % inokulum dan 90 % medium produksi. Kondisi
proses meliputi suhu 30 oC, 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 NH 4+/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 oC, 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 gNH 4+/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).
PROCESS AND MATHEMATICAL OPTIMIZATION OF POLYHYDROXYB
UTYRATE PRODUCTION USING AMYLOLYTIC BACTERIA BACILLUS
CEREUS IFO 13690. 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 oC, 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 oC, 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 NH 4+/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 NH 4+/L, initial
feeding at 8 hours after exponential growth started and the process conditions
were temperature of 30 oC, 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).