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. 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
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)
