RSS Feed (xml)
Reaktor Biofilm Zymomonas mobilis untuk Produksi
Etanol Menggunakan Hidrolisat Jerami Padi pada Proses Kontinu dan Batch
Berulang
Pendahuluan
Bahan lignoselulosa merupakan sumber daya terbarukan yang
melimpah, tersusun atas selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Selulosa dan
hemiselulosa berperan sebagai sumber utama karbohidrat yang dapat dimanfaatkan
dalam berbagai bioproses untuk menghasilkan produk bernilai tambah, seperti
bioetanol, tanpa bersaing dengan kebutuhan pangan. Limbah pertanian, khususnya
jerami padi, berpotensi besar digunakan sebagai bahan baku karena
ketersediaannya yang melimpah. Namun, struktur lignoselulosa sulit diuraikan secara
enzimatis sehingga memerlukan tahap praperlakuan fisik, kimia, dan enzimatis.
Proses ini dapat menghasilkan senyawa toksik seperti asam organik, fenol, dan
furan aldehid yang menghambat aktivitas enzim dan mikroba, sehingga menurunkan
efisiensi produksi bioetanol.
Mikroba Zymomonas mobilis dikenal sebagai
penghasil etanol dengan hasil tinggi, toleransi baik terhadap etanol,
osmotoleran, dan dapat berfermentasi dalam rentang pH luas. Meskipun hanya
mampu memfermentasi glukosa, fruktosa, dan sukrosa melalui jalur
Entner–Doudoroff, Z. mobilis mampu menghasilkan etanol hingga 97% dari
hasil teoritis. Menariknya, Z. mobilis dalam bentuk biofilm menunjukkan
ketahanan lebih baik terhadap senyawa penghambat dibandingkan sel suspensi.
Biofilm merupakan lapisan mikroba
yang melekat pada permukaan dan dilapisi oleh matriks polimer ekstraseluler.
Sistem ini memiliki keunggulan seperti kepadatan sel tinggi, stabilitas,
ketahanan terhadap toksin, serta efisiensi fermentasi yang lebih tinggi. Selain
itu, biofilm dapat digunakan secara berulang dalam proses fermentasi
berkelanjutan, sehingga menurunkan biaya produksi dan risiko kontaminasi.
Reaktor biofilm telah terbukti
meningkatkan produksi etanol dari berbagai bahan kaya glukosa dibandingkan
kultur suspensi. Penggunaan bahan pendukung
(carrier) menjadi faktor penting dalam pembentukan biofilm. Bahan tersebut
harus mendukung perlekatan sel, memiliki luas permukaan besar, porositas baik,
tahan terhadap degradasi, dan mudah diperoleh.
Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa Z. mobilis
yang diimobilisasi dengan bahan seperti kalsium-alginat dan PVA mampu
menghasilkan etanol dari bahan lignoselulosa dengan efisiensi hingga 70%, namun
terhambat oleh resistensi difusi. Teknologi reaktor biofilm menjadi solusi atas
keterbatasan ini karena dapat meningkatkan produktivitas dan memungkinkan
proses berkelanjutan.
Berdasarkan penelitian terdahulu, Z.
mobilis biofilm mampu menghasilkan etanol dari hidrolisat lignoselulosa
dengan efisiensi hingga 60% dari hasil teoritis. Penelitian ini bertujuan
mengevaluasi penggunaan bahan pendukung berupa komposit plastik dari rambut
jagung (corn silk) serta mengkaji pemanfaatan hidrolisat jerami padi sebagai
substrat fermentasi untuk produksi etanol oleh Z. mobilis strain ZM4 dan
TISTR551 dalam sistem biofilm, baik pada proses kontinu maupun batch berulang.
Efisiensi produksi diukur berdasarkan hasil etanol (YP/S).
Bahan dan Metode
1. Mikroorganisme dan Media Kultur
Dua strain Zymomonas mobilis digunakan dalam
penelitian ini, yaitu ZM4 dan TISTR551. Kedua strain diperoleh dari koleksi
kultur terstandar dan dipelihara pada media glukosa–ragi–ekstrak malt (GYE).
Untuk fermentasi, digunakan media mineral yang mengandung sumber karbon
dari hidrolisat jerami padi, serta nutrien tambahan seperti ekstrak ragi dan
garam mineral untuk mendukung pertumbuhan mikroba.
2. Persiapan Substrat: Hidrolisat Jerami Padi
Jerami padi dikeringkan, dipotong kecil, dan diperlakukan
secara kimia menggunakan larutan alkali encer untuk melunakkan struktur
lignoselulosa. Selanjutnya, dilakukan proses hidrolisis enzimatis dengan
campuran enzim selulase dan hemiselulase guna mengubah polisakarida menjadi
gula sederhana. Hasil hidrolisis disaring dan digunakan sebagai substrat
utama fermentasi bioetanol. Kandungan gula terlarut dianalisis sebelum
digunakan.
3. Persiapan Bahan Pendukung (Carrier) Biofilm
Untuk mendukung pertumbuhan biofilm, digunakan komposit
plastik dari rambut jagung (corn silk) yang berfungsi sebagai media
biotik–abiotik tempat menempel dan tumbuhnya Z. mobilis. Bahan ini
dibersihkan, disterilisasi, kemudian ditempatkan di dalam reaktor biofilm
sebelum proses inokulasi.
4. Pembentukan Biofilm dan Pengamatan Mikroskopik
Kultur Z. mobilis diinokulasikan ke dalam reaktor
yang berisi bahan pendukung, kemudian diinkubasi selama beberapa hari.
Pembentukan biofilm dipantau setiap hari, dan diamati menggunakan mikroskop
elektron pemindai (SEM) untuk melihat morfologi permukaan serta uji
kristal violet untuk mengukur kepadatan biofilm.
5. Fermentasi Bioetanol
Fermentasi dilakukan dalam dua sistem:
- Proses
batch berulang (repeated batch) – substrat baru ditambahkan
setelah setiap siklus fermentasi selesai, tanpa mengganti biofilm yang
telah terbentuk.
- Proses
kontinu multistage – substrat dialirkan secara
terus-menerus ke dalam reaktor bertingkat untuk mempertahankan produksi
etanol stabil.
Setiap proses dijalankan pada suhu dan pH optimum bagi Z.
mobilis, serta diaerasi minimal untuk menjaga kondisi anaerob fakultatif.
6. Analisis Kimia dan
Evaluasi Produksi Etanol
Sampel cair diambil secara berkala
untuk menentukan kadar gula dan etanol.
- Kadar
gula pereduksi diukur dengan metode asam
3,5-dinitrosalisilat (DNS).
- Kadar etanol diukur menggunakan kromatografi gas atau
metode kimia berbasis kalium dikromat.
Efisiensi fermentasi dinilai dari yield
etanol (YP/S), yaitu rasio antara jumlah etanol yang dihasilkan terhadap
jumlah substrat yang dikonsumsi. Data hasil
uji dianalisis secara statistik untuk menentukan perbedaan signifikan antar
perlakuan (p < 0,05).
7. Desain Eksperimen dan
Replikasi
Setiap perlakuan dilakukan secara triplo
(tiga kali ulangan) untuk menjamin validitas hasil. Perbandingan antara
strain ZM4 dan TISTR551 dilakukan dalam kondisi yang sama, baik pada sistem
batch berulang maupun proses kontinu.
Hasil dan Pembahasan
1. Pembentukan dan
Karakteristik Biofilm
Kedua strain Zymomonas mobilis (ZM4 dan TISTR551)
berhasil membentuk biofilm yang stabil pada media pendukung berbahan komposit
rambut jagung. Pengamatan dengan mikroskop elektron pemindai (SEM)
menunjukkan bahwa sel-sel bakteri menempel rapat di permukaan bahan dan
dikelilingi oleh matriks polimer ekstraseluler yang tebal. Hasil uji kristal
violet memperlihatkan bahwa pembentukan biofilm mencapai tingkat maksimum
pada hari kelima setelah inokulasi, baik pada strain ZM4 maupun
TISTR551.
Biofilm yang terbentuk berfungsi sebagai sistem
imobilisasi alami yang menjaga kepadatan sel tinggi, memperbaiki transfer
massa, serta meningkatkan ketahanan terhadap senyawa penghambat dalam
hidrolisat jerami padi. Hal ini sesuai dengan temuan penelitian terdahulu bahwa
struktur biofilm mampu melindungi sel Z. mobilis dari stres lingkungan
dan memperpanjang aktivitas fermentatifnya.
2. Produksi Etanol pada Sistem Batch Berulang
Dalam sistem batch berulang, strain Z. mobilis
ZM4 menunjukkan performa terbaik. Produksi etanol mencapai hasil
tertinggi pada siklus kedua dan tetap stabil hingga siklus ketiga, dengan tidak
terdapat perbedaan signifikan (p < 0,05) antar siklus. Konsentrasi
etanol yang dihasilkan lebih tinggi dibandingkan dengan strain TISTR551 pada
kondisi yang sama.
Kemampuan mempertahankan hasil yang konstan menunjukkan
bahwa biofilm Z. mobilis bersifat tahan lama dan dapat digunakan
kembali, sehingga menguntungkan untuk aplikasi industri. Sistem batch
berulang juga terbukti efisien karena tidak memerlukan penanaman ulang sel pada
setiap siklus fermentasi.
3. Produksi Etanol pada
Sistem Kontinu Multistage
Pada sistem fermentasi kontinu bertingkat (multistage
continuous process), strain TISTR551 justru menghasilkan etanol
lebih tinggi dibandingkan ZM4. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh kemampuan
adaptasi yang lebih baik terhadap aliran substrat yang terus-menerus dan
fluktuasi nutrien.
Hasil yang stabil dari kedua sistem menunjukkan bahwa
biofilm Z. mobilis dapat bekerja efektif baik pada proses batch maupun
kontinu, dengan karakteristik masing-masing strain memengaruhi efisiensi
konversi gula menjadi etanol.
4. Efisiensi Fermentasi dan Stabilitas Sistem
Produksi etanol dari hidrolisat jerami padi menunjukkan yield
(YP/S) yang tinggi dan konsisten selama tiga siklus fermentasi berulang.
Stabilitas produksi ini menandakan bahwa sistem biofilm mampu menjaga aktivitas
metabolik mikroba tanpa kehilangan kemampuan fermentatif. Tidak ditemukan
penurunan signifikan pada konsentrasi etanol antar siklus, membuktikan bahwa reaktor
biofilm efektif untuk operasi jangka panjang.
5. Implikasi dan Potensi Aplikasi
Penelitian ini membuktikan bahwa limbah pertanian
seperti jerami padi dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku berpotensi tinggi
untuk produksi bioetanol berkelanjutan. Sistem reaktor biofilm
berbasis Z. mobilis menawarkan keuntungan berupa:
- Efisiensi
fermentasi tinggi,
- Toleransi
baik terhadap senyawa penghambat,
- Dapat dioperasikan secara berulang atau kontinu, dan
- Mengurangi kebutuhan enzim atau bahan kimia
tambahan.
Selain itu, penggunaan komposit
rambut jagung sebagai bahan pendukung biofilm merupakan pendekatan inovatif
yang ramah lingkungan dan berbiaya rendah, sekaligus menambah nilai guna limbah
pertanian lainnya.
Kesimpulan dan Saran
Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bahwa Zymomonas
mobilis dalam bentuk biofilm mampu menghasilkan etanol secara efisien dari
hidrolisat jerami padi. Strain ZM4 lebih unggul pada sistem batch
berulang, sedangkan TISTR551 lebih optimal pada sistem kontinu
multistage. Stabilitas produksi etanol selama beberapa siklus fermentasi
menegaskan potensi penggunaan reaktor biofilm berbasis bakteri sebagai
alternatif yang menjanjikan untuk produksi bioetanol dari limbah
lignoselulosa di masa depan.
Penelitian ini menunjukkan bahwa pemanfaatan limbah
lignoselulosa, khususnya jerami padi, sebagai substrat fermentasi menggunakan
bakteri Zymomonas mobilis dalam bentuk biofilm dapat menghasilkan
bioetanol secara efisien dan berkelanjutan. Strain Z. mobilis ZM4
memberikan hasil terbaik pada sistem batch berulang, sedangkan strain TISTR551
menunjukkan performa unggul pada sistem fermentasi kontinu bertingkat.
Stabilitas produksi etanol yang tinggi selama beberapa siklus fermentasi
menegaskan potensi penerapan sistem biofilm untuk produksi bioetanol skala
industri dengan biaya operasional rendah. Disarankan agar penelitian
selanjutnya mengoptimalkan kondisi hidrolisis dan fermentasi secara terpadu
(simultaneous saccharification and fermentation/SSF), serta mengevaluasi
kinerja biofilm pada skala pilot untuk mendukung pengembangan teknologi bioetanol
berbasis limbah pertanian yang ramah lingkungan dan berorientasi ekonomi
sirkular.
SUMBER:
Tatsaporn
Todhanakasem et. al., 2019. Zymomonas mobilis Biofilm
Reactor for Ethanol Production Using Rice Straw Hydrolysate Under Continuous
and Repeated Batch Processes. Front. Microbiol., 07 August 2019. Sec.
Microbiotechnology. Volume 10 – 2019.
#bioetanol
#zymomonasmobilis
#biofilm
#jeramipadi
#energiHijau
