KAJIAN PENINGKATAN SKALA FERMENTOR PRODUKSI BIOINSEKTISIDA DARI Bacillus thuringiensis aizawai MENGGUNAKAN SUBSTRAT LIMBAH CAIR TAHU DAN AIR KELAPA

Transkripsi

1 KAJIAN PENINGKATAN SKALA FERMENTOR PRODUKSI BIOINSEKTISIDA DARI Bacillus thuringiensis aizawai MENGGUNAKAN SUBSTRAT LIMBAH CAIR TAHU DAN AIR KELAPA SKRIPSI DEVI ARYATI F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2011

2 STUDY OF SCALE UP FOR BIOINSECTICIDES PRODUCTION FROM Bacillus thuringiensis aizawai USING LIQUID WASTE INDUSTRIAL TOFU AND COCONUT WATER SUBSTRATE Devi Aryati and Mulyorini Rahayuningsih Department of Agroindustrial Technology, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Darmaga Campus, Bogor, West Java, Indonesia. ABSTRACT Bacillus thuringiensis aizawai is one type of bacteria which often used in the production of microbial bioinsecticide because this patties very effective in controlling larvae of Lepidoptera and Diptera, especially the leaf caterpillar pests of cabbage and other vegetables. The use of biopesticides in Indonesia is still rarely because bioinsecticide marketed in Indonesia is still an import product so that price is relatively expensive. This problem can be overcome with producing bioinsecticide contain active Bacillus thuringiensis aizawai using local raw materials such as liquid waste industrial tofu and coconut water. The objectives of this research was to study the scale up based on the optimum conditions for growth of Bacillus thuringiensis subsp. aizawai in pilot and industrial scale in the production of bioinsecticide microbial use of liquid waste of industrial tofu and coconut water. Carbon-nitrogen ratio in this research is (7:1), with 80 : 20 composition of liquid waste of industrial tofu and coconut water, the starter added 10% (v/v), cultivation time during 72 hours and using fermentors 3 and 40 liters. The highest toxicity of the product can be obtained through bioassay test to larvae Croccidolomia pavonana and the highest toxicity levels is at 48 hours fermentation with LC 50 value of 0.01 mg/l. The result showed that by 0.01 mg/l bioinsecticide microbial could kill 50% of the target insect. Range of ph value from , and the highest total plate count (TPC) is 1.44 x 10 7 CFU/ml in the fermentor with a capacity of 40 litres. The highest viable spore count (VSC) is 8.03 x 10 5 spores/ml in fermentor with a capacity of 40 litres with cultivation 72 hours. The calculation of the scale up on industrial scale fermentor 10,000 L showed that the needs of Pg/V are HP/m 3 per second, a rate of aeration: 0.27 VVM and agitation speed: 0.47 rps. Based on the similarity of geometry fermentor 10,000 litres, fermentor has tank diameter: 2.09 m and impeller diameter: 0.85 m with a working volume of 7,000 litres. Keyword : bioinsecticide, Bacillus thuringiensis aizawai, scale up, Pg/V

3 DEVI ARYATI. F Kajian Peningkatan Skala Fermentor Produksi Bioinsektisida dari Bacillus thuringiensis aizawai Menggunakan Substrat Limbah Cair Tahu dan Air Kelapa. Di bawah bimbingan Mulyorini Rahayuningsih RINGKASAN Bioinsektisida merupakan bahan yang mengandung senyawa toksik yang yang berfungsi untuk membunuh atau menghambat perkembangan spesies insekta yang dapat dihasilkan oleh tumbuhan maupun yang menggunakan organisme hidup seperti virus, bakteri, dan jamur. Sifat insektisida ini aman terhadap organisme non-target, manusia dan lingkungan karena memiliki derajat spesifisitas yang tinggi dan relatif kecil terjadinya resistensi atau kekebalannya pada serangga hama. Bacillus thuringiensis aizawai merupakan salah satu jenis bakteri yang banyak dimanfaatkan dalam produksi bioinsektisida mikrobial karena patotipe Bacillus thuringiensis aizawai sangat efektif mengendalikan larva Lepidoptera, terutama ulat daun kubis dan hama-hama sayuran lainnya. Di Indonesia, penggunaan biopestisida masih jarang dikarenakan bioinsektisida bermerk yang beredar di Indonesia merupakan produk impor sehingga harganya relatif mahal. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, dapat digunakan alternatif produksi bioinsektisida berbahan aktif Bacillus thuringiensis aizawai dengan menggunakan bahan baku lokal seperti limbah cair tahu dan air kelapa. Limbah cair tahu masih mengandung nutrisi khususnya kandungan karbon dan nitrogennya yang dapat dimanfaatkan bagi pertumbuhan Bacillus thuringiensis aizawai, serta dengan penambahan air kelapa yang bersifat fermentable sugar dapat dijadikan media pertumbuhan Bacillus thuringiensis aizawai yang baik. Saat ini, telah banyak penelitian skala laboratorium yang mengembangkan bioinsektisida mikrobial yang efektif untuk mengendalikan hama pertanian salah satunya penelitian yang dilakukan Rachmawati (2011), menyatakan bahwa komposisi formulasi media dari limbah cair tahu dan air kelapa yang menghasilkan tingkat toksisitas tertinggi adalah 80:20 dengan waktu fermentasi selama 48 jam dengan rasio C/N adalah 7:1. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mengkaji peningkatan skala fermentor berdasarkan kondisi optimum pertumbuhan Bacillus thuringiensis aizawai pada skala pilot dan industri dalam produksi bioinsektisida mikrobial menggunakan limbah cair tahu dan air kelapa berdasarkan parameter kebutuhan daya per volume. Sedangkan tujuan khusus dari penelitian ini adalah untuk memanfaatkan limbah cair tahu dan air kelapa untuk produksi bioinsektisida serta mengetahui pertumbuhan dan daya toksisitas Bacillus thuringiensis aizawai pada fermentor 3 dan 40 liter. Pada penelitian ini diterapkan kondisi-kondisi optimal untuk pertumbuhan bakteri Bacillus thuringiensis subsp. aizawai dari penelitian skala laboratorium yakni komposisi media yang digunakan adalah 80% limbah cair tahu dan 20% air kelapa, perbandingan rasio C/N 7:1, agitasi 200 rpm, serta laju aerasi 1 vvm pada fermentor yang memiliki kapasitas 3 liter dengan waktu fermentasi selama 72 jam menggunakan fermentor tangki berpengaduk. Berdasarkan kesamaan gometri fermentor maka dilakukan peningkatan skala pada skala pilot menggunakan fermentor 40 liter dengan volume kerja 22 liter dengan kecepatan agitasi 104 rpm dan laju aerasi 0.9 vvm. Hasil perhitungan jumlah sel menunjukkan bahwa jumlah sel terus meningkat seiring lamanya waktu fermentasi, dimana jumlah tertinggi adalah pada jam ke 72 pada fermentor berkapasitas 40 liter yaitu 1.44 x 10 7 CFU/ml dengan ph cairan fermentasi berkisar antara 5.25-

4 7.23. Pembentukan spora mulai terjadi pada jam ke 12 dengan kecenderungan jumlah spora meningkat dengan semakin lamanya waktu fermentasi. Hasil perhitungan jumlah spora menunjukkan bahwa jumlah spora tertinggi adalah pada waktu fermentasi 72 jam pada fermentor berkapasitas 40 liter yaitu 8.03 x 10 5 spora/ml. Bobot biomassa tertinggi dihasilkan pada waktu fermentasi ke 48 jam yaitu g/ml. Efisiensi penggunaan substrat menunjukan metabolisme sel, dimana efisiensi penggunaan substrat tertinggi adalah pada skala fermentor 40 liter yaitu sebesar 95.78% yang menunjukkan bahwa peningkatan skala pada skala pilot menghasilkan metabolisme yang lebih baik. Aktivitas bioinsektisida mikrobial ditentukan dengan menggunakan metode bioassay untuk menetukan kadar letal (LC 50 ) dan potensi produk. LC 50 merupakan konsentrasi bioinsektisida yang menyebabkan 50 % serangga uji mati. Berdasarkan hasil pengamatan, tingkat toksisitas tertinggi adalah pada waktu fermentasi 48 jam dengan nilai LC 50 sebesar 0.01 mg/l. Hal ini menunjukkan bahwa dengan 0.01 mg/l bioinsektisida mikrobial dapat mematikan 50% serangga target. Hasil perhitungan penggandaan skala pada skala industri yaitu fermentor 10,000 L menunjukkan bahwa kebutuhan Pg/V adalah HP/m 3 per sekon dengan laju aerasi sebesar 0.27 vvm, dan kecepatan agitasi 0.47 rps. Berdasarkan kesamaan geometri, fermentor 10,000 liter memiliki diameter tangki 2.09 m dan diameter impeller 0.85 m dengan volume kerja 7,000 liter.

5 KAJIAN PENINGKATAN SKALA FERMENTOR PRODUKSI BIOINSEKTISIDA DARI Bacillus thuringiensis aizawai MENGGUNAKAN SUBSTRAT LIMBAH CAIR TAHU DAN AIR KELAPA SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknologi Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor Oleh Devi Aryati F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2011

6 Judul Skripsi Nama NIM : Kajian Peningkatan Skala Fermentor Produksi Bioinsektisida dari Bacillus thuringiensis aizawai Menggunakan Substrat Limbah Cair Tahu dan Air Kelapa : Devi Aryati : F Menyetujui, Dosen Pembimbing Dr. Ir. Mulyorini Rahayuningsih, M.Si. NIP Mengetahui: Ketua Departemen, Prof. Dr. Ir. Nastiti Siswi Indrasti NIP Tanggal lulus: 8 Juli 2011

7 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Kajian Peningkatan Skala Fermentor Produksi Bioinsektisida dari Bacillus thuringiensis aizawai Menggunakan Substrat Limbah Cair Tahu dan Air Kelapa adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain yang telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Bogor, Juli 2011 Yang membuat pernyataan Devi Aryati F

8 Hak cipta milik Devi Aryati, tahun 2011 Hak cipta dilindungi Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotokopi, mikrofilm, dan sebagainya.

9 BIODATA PENULIS Devi Aryati lahir di Indramayu, 6 April 1990 dari ayah Suhari dan ibu Karsem, sebagai putri kedua dari lima bersaudara. Penulis menamatkan SMA pada tahun 2007 dari SMAN 1 Sindang-Indramayu dan pada tahun yang sama diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakutas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif dalam berbagai kegiatan di Himpunan Mahasiswa Teknologi Industri (Himalogin), Organisasi Mahasiswa Daerah Indramayu, dan termasuk menjadi Asisten Mata Kuliah Praktikum Bioproses Pada tahun 2009, penulis mengikuti lomba paper Agroindustrial Competition tingkat nasional dan memperoleh juara 3. Selain itu, pada tahun 2010 penulis mengikuti Program Kreatifitas Mahasiswa bidang Penelitian dengan judul Produk Inovasi Baru Nasi Cepat Masak Alternatif Pengganti Beras dengan Bahan Dasar Sukun yang Kaya Isoflavon yang lolos didanai DIKTI. Penulis melaksanakan Praktik Lapangan pada tahun 2010 di pabrik gula, PT. PG Rajawali II unit PG Jatitujuh dengan judul Mempelajari Proses Produksi dan Pengawasan Mutu Gula Di PT. PG Rajawali II Unit PG Jatitujuh, Majalengka-Jawa Barat.

10 KATA PENGANTAR Puji dan syukur senantiasa dipanjatkan ke hadapan Allah SWT atas berkah dan karunia-nya sehingga skripsi ini berhasil diselesaikan. Penelitian dengan judul Kajian Peningkatan Skala Fermentor Produksi Bioinsektisida dari Bacillus thuringiensis aizawai Menggunakan Substrat Limbah Cair Tahu dan Air Kelapa dilaksanakan di Laboratorium Bioindustri dan Laboratorium Dasar Ilmu Terapan, Departemen Teknologi Industri Pertanian sejak bulan Maret sampai Juni Dengan telah selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Allah SWT Tuhan Yang Maha Esa yang selalu memberikan rahmat dan nikmat-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan skripsi dengan lancar. 2. Ayah dan Ibu tercinta serta keluarga tersayang yang selalu memberikan dukungan, bantuan dan do a. 3. Dr. Ir. Mulyorini Rahayuningsih, M. Si. sebagai dosen pembimbing akademik atas segala dan bimbingannya dalam pelaksanaan penelitian dan penyusunan skripsi ini. 4. Dr. Ir. M. Yani dan Dr. Endang Warsiki, S.TP, M.Si. sebagai dosen penguji atas segala bimbingan dan saran dalam penulisan skripsi ini. 5. Ibu Rini Purnawati, Ibu Egnawati, Ibu Sri Mulyasih, Pak Edy Sumantri, Pak Gunawan, Pak Sugiyardi, Pak Yogi, Pak Darwan dan Pak Diki selaku laboran yang selalu membantu penulis selama penelitian. Serta Pak Anwar, Pak Mul, Bu Ketih, dan Pak Ihsan dan karyawan Dept. TIN yang telah membantu penulis dalam hal administrasi dan fasilitas selama menyelesaikan perkuliahan di TIN IPB. 6. Bapak H. Odo serta karyawan tahu Yun-Yi yang telah membantu dalam penyediakan limbah cair tahu. 7. Dimas Fajrinnalar, Riryn N. Rachmawati, Nita Diansari, Nurhidayanti, Alisia Rachmaisni serta, Nelly yang selalu memberikan motivasi dan bantuan dalam hal apapun. 8. Teman-teman TIN 44 atas dukungan dan kebersamaannya selama ini. Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang teknologi bioindustri. Bogor, Juli 2011 Penulis iii

11 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... iii DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR LAMPIRAN... vii I. PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Ruang Lingkup... 2 II. TINJAUAN PUSTAKA Bioinsektisida Bacillus thuringiensis Proses Produksi Bioinsektisida Mikrobial Peningkatan Skala... 9 III. METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Tahapan Penelitian Pendahuluan Penelitian Utama Analisa Parameter IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa Bahan Baku Proses Fermentasi Bt. aizawai Pertumbuhan Bt. aizawai Uji Toksisitas Bioinsektisida Peningkatan Skala Fermentor V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN iv

12 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Jumlah ekspor impor insektisida di Indonesia... 3 Tabel 2. Produk komersil berbahan aktif Bacillus thiringiensis aizawai... 4 Tabel 3. Tipe patogenitas dari Bacillus thuringiensis dan contoh produknya... 5 Tabel 4. Produksi tahu Indonesia tahun Tabel 5. Kandungan kimia limbah cair tahu... 7 Tabel 6. Komposisi nutrisi air kelapa... 7 Tabel 7. Kandungan mineral air kelapa... 8 Tabel 8. Komposisi medium fermentasi Tabel 9. Hasil analisis kimia limbah cair tahu dan air kelapa Tabel 10. Potensi toksisitas bioinsektisida Tabel 11. Perbandingan nilai LC 50 produk bioinsektisida pada masing-masing perlakuan dengan lama fermentasi 48 jam Tabel 12. Geometri fermentor 3 dan 40 liter Tabel 13. Parameter kinetika fermentasi Bta pada fermentor skala 3 dan 40 liter Tabel 14. Rancang bangun fermentor 10,000 liter v

13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Neraca massa proses pembuatan tahu... 6 Gambar 2. Diagram alir persiapan inokulum Gambar 3. Pertumbuhan Bt. aizawai selama waktu fermentasi pada fermentor 3 liter Gambar 4. Produksi biomassa dan gula sisa selama fermentasi pada fermentor 3 liter Gambar 5. Pertumbuhan Bt. aizawai selama fermentasi pada fermentor 40 liter Gambar 6. Produksi biomassa dan gula sisa selama fermentasi pada fermentor 40 liter Gambar 7. Kurva standar glukosa vi

14 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Metode analisa pada penelitian Lampiran 2. Perhitungan komposisi medium fermentasi Lampiran 3. Perhitungan uji toksisitas bioinsektisida (bioassay) Lampiran 4. Faktor- faktor skala geometrik untuk peralatan fermentasi tipikal dalam peningkatan skala Lampiran 5. Perhitungan kinetika fermentasi Lampiran 6. Perhitungan peningkatan skala fermentor vii

15 I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Insektisida mempunyai peranan yang sangat penting dalam pertanian dan perindustrian, khususnya untuk melindungi hasil pertanian. Meskipun demikian, penggunaan insektisida yang tidak terbatas selama beberapa dekade telah mengakibatkan dampak yang negatif terhadap lingkungan dan spesies non-target. Selain itu, insektisida kimia dengan dosis dan frekuensi yang tinggi menjadikan serangga vektor penyakit menjadi resisten terhadap insektisida kimia yang menyebabkan serangga target tetap hidup dan merusak hasil-hasil pertanian. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, maka bioinsektisida merupakan salah satu alternatifnya. Bioinsektisida merupakan bahan yang mengandung senyawa toksik yang berfungsi untuk membunuh atau menghambat perkembangan spesies insekta yang dapat dihasilkan oleh tumbuhan maupun yang menggunakan organisme hidup seperti virus, bakteri, dan jamur. Sifat insektisida ini aman terhadap organisme non-target, manusia dan lingkungan. Sampai saat ini telah banyak penelitian untuk memperoleh bioinsektisida yang ampuh dan ramah lingkungan, salah satunya bioinsektisida mikrobial yang diperoleh dari Bacillus thuringiensis (Bt) yang bersifat aman karena memiliki derajat spesifisitas yang tinggi dan relatif kecil terjadinya resistensi (kekebalan) pada serangga hama. Bacillus thuringiensis aizawai merupakan salah satu jenis bakteri yang banyak dimanfaatkan dalam produksi bioinsektisida mikrobial. Bacillus thuringiensis aizawai sangat efektif mengendalikan larva Lepidoptera dan Diptera, terutama ulat daun kubis dan hama-hama sayuran lainnya. Crocidolomia pavonana Zell. merupakan hama utama pada tanaman kubis yang juga menyerang tanaman Brassicaceae lainnya. Menurut Uhan (1993) serangan C. pavonana dapat menyebabkan kehilangan hasil kubis sebesar 65%. Bacillus thuringiensis aizawai ini menghasilkan protein yang bersifat insektisida yaitu δ-endotoksin atau kristal protein yang akan berikatan dengan reseptor spesifik dalam sel larva Crocidolomia pavonana Zell, sehingga terjadi lisis sel yang dapat menyebabkan kematian pada serangga target. Beberapa produk berbahan aktif Bacillus thuringiensis aizawai telah beredar di Indonesia dengan merek dagang xentari, certan, clobac, design WSP, florbac, quark, selectzin, turex (Glare et al 2000). Namun demikian, penggunaan biopestisida tersebut masih jarang karena bioinsektisida bermerk yang ada di Indonesia masih merupakan produk impor sehingga harganya relatif mahal. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan memproduksi bioinsektisida berbahan aktif Bacillus thuringiensis dengan menggunakan bahan baku lokal seperti air kelapa serta limbah cair tahu yang selama ini belum banyak dimanfaatkan dan hanya mencemari lingkungan. Limbah cair industri tahu yang dibuang langsung ke lingkungan tanpa proses pengolahan, akan mengalami blooming (pengendapan zat-zat organik pada badan perairan), proses pembusukan, dan berkembangnya mikroorganisme patogen karena limbah cair tahu masih mengandung zat-zat organik yang tinggi terutama karbon dan nitrogen yang dapat dimanfaatkan bagi pertumbuhan bakteri. Saat ini, telah banyak penelitian yang mengembangkan bioinsektisida mikrobial menggunakan Bacillus thuringiensis aizawai yang efektif untuk mengendalikan hama pertanian, diantaranya adalah hasil penelitian Syarfat (2010) bahwa komposisi formulasi media dari ampas tahu dan limbah cair tahu yang menghasilkan tingkat toksisitas tertinggi adalah 20:80 dengan waktu kultivasi selama 30 jam. Sedangkan menurut Rachmawati (2011) menyatakan bahwa komposisi formulasi media dari limbah cair tahu dan air kelapa yang menghasilkan tingkat toksisitas tertinggi adalah 80:20 dengan waktu kultivasi selama 48 jam dengan rasio C/N adalah 7:1. Perbandingan sumber karbon dan 1

16 nitrogen 7:1 juga mengacu pada penelitian Wicaksono (2002) dan pernyataan Dulmage et al. (1990), sehingga untuk memperoleh rasio C/N yang sesuai maka ditambahkan urea. Tujuan akhir produksi skala laboratorium ini adalah teknik produksi skala komersial yang mampu menghasilkan suatu produk yang secara ekonomis, layak dan efektif. Pada penelitian penggandaan skala ini, kondisi-kondisi optimal mulai diterapkan bagi optimasi pertumbuhan mikroba dalam fermentor dengan memasok sumber energi dan nutrisi penting untuk memenuhi semua kebutuhan biosintesa, inokulum yang baik, serta kondisi fisika-kimiawi yang optimal dalam produksi bioinsektisida mikrobial sehingga dapat diaplikasikan dalam skala industri Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Pemanfaatan limbah cair tahu dan air kelapa untuk media pertumbuhan Bacillus thuringiensis aizawai dalam produksi bioinsektisida 2. Mengetahui pertumbuhan Bacillus thuringiensis aizawai dengan menggunakan substrat limbah cair tahu dan air kelapa pada skala fermentor 3 dan 40 liter 3. Mengkaji peningkatan skala fermentor berdasarkan kondisi optimum pertumbuhan Bacillus thuringiensis aizawai pada skala pilot 40 liter dan skala industri 10,000 liter dalam produksi bioinsektisida menggunakan limbah cair tahu dan air kelapa 1.3. Ruang Lingkup Ruang lingkup dari penelitian ini adalah: 1. Menerapkan parameter-parameter yang berpengaruh bagi optimalisasi produksi bioinsektisida mikrobial dari Bacillus thuringiensis aizawai meliputi konsentrasi media, rasio C/N, agitasi, dan aerasi 2. Menentukan pertumbuhan dan daya toksisitas bioinsektisida yang dihasilkan dari Bacillus thuringiensis aizawai pada skala fermentor 3 dan 40 liter 3. Perhitungan peningkatan skala fermentor produksi bioinsektisida mikrobial pada fermentor 10,000 liter berdasarkan kebutuhan Pg/V 2

17 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Bioinsektisida Bioinsektisida mikrobial merupakan produk yang dihasilkan oleh mikroorganisme yang dapat membunuh hama serangga dan vektor pembawa penyakit. Menurut Ignoffo dan Anderson (1979), insektisida mikrobial yang bersifat entomopatogen dapat dikembangkan dari bakteri, virus, fungi atau protozoa. Adapun bakteri yang paling banyak dikembangkan adalah Bacillus thuringiensis karena bakteri ini mampu membentuk δ-endotoksin yang bersifat toksin terhadap larva serangga (Bravo 1997). Bioinsektisida digunakan untuk menggantikan penggunaan insektisida kimia yang telah banyak menimbulkan kerugian bagi lingkungan. Selain itu, pemakaian insektisida kimia dengan dosis dan frekuensi yang tinggi dapat menjadikan serangga target menjadi resisten terhadap insektisida kimia tersebut. Sedangkan keunggulan bioinsektisida menurut Behle et al. (1999), antara lain spesifik terhadap hama serangga, aman dan ramah lingkungan, serta tidak mengakibatkan residu pada hasil pertanian dan tanah. Salah satu strain Bacillus thuringiensis yang banyak digunakan untuk produksi bioinsektisida mikrobial adalah Bacillus thuringiensis subsp. aizawai yang efektif mengendalikan larva ordo Lepidoptera dan Diptera. Salah satu hama ordo Lepidoptera yang banyak menyebabkan kerusakan pada pertanian adalah Croccidolomia pavonana, hama ini sangat merusak karena larva memakan daun baru di bagian tengah tanaman kubis. Saat bagian tengah telah hancur, larva pindah ke ujung daun dan kemudian turun ke daun yang lebih tua. Kebanyakan tanaman yang terserang akan hancur seluruhnya jika ulat krop kubis tidak dikendalikan (Kementrian Pertanian RI 2010). Berdasarkan peraturan pemerintah No 7 Tahun 1973 Pasal 1, bioinsektisida merupakan produk yang menjadi satu kategori dengan insektisida. Menurut Depperin (2010), hingga saat ini belum terdapat produk bioinsektisida lokal yang beredar di pasar pertanian dan secara umum kebutuhan bioinsektisida dipenuhi dari impor. Volume ekspor impor insektisida di Indonesia terlihat pada Tabel 1. Tabel 1. Jumlah ekspor dan impor insektisida di Indonesia Tahun Ekspor Impor Kg US$ Kg US$ ,815,562 47,218,898 8,285,950 37,545, ,551,577 66,822,331 9,244,243 60,601, ,885,889 86,455,061 7,429,138 71,009,115 Rata-Rata 64,417,676 66,832, ,319,777 56,385, Harga/unit (US$/kg) Sumber: Depperin (2010) Dari data di atas terlihat bahwa sekitar 8,300 ton insektisida yang sebagian besar berupa bioinsektisida yang beredar di Indonesia adalah produk impor. Contoh beberapa produk komersil berbahan aktif Bacillus thuringiensis aizawai terdapat pada Tabel 2 di bawah ini. 3

18 Tabel 2. Produk komersil berbahan aktif Bacillus thuringiensis aizawai No Merk Objek Hama Produsen 1 Xentari Lepidoptera Abbot 2 Certan Wax moth/ lepidoptera Sandoz 3 Clobac Lepidoptera - 4 Design WSP Lepidoptera - 5 Florbac Diamond black moth / Abbot Lepidoptera 6 Quark Lepidoptera Abbot 7 Selectzin Lepidoptera - 8 Turex Lepidoptera Thermo Trillogy Sumber: Glare et al. (2000) 2.2. Bacillus thuringiensis Bacillus thuringiensis (Bt) adalah bakteri bersel vegetatif berbentuk batang, gram positif, bersifat aerob tapi umumnya anaerob fakultatif, mempunyai flagela dan membentuk spora. Koloni Bacillus thuringiensis berbentuk bulat dengan tepian berkerut, memiliki diameter 5-10 milimeter, berwarna putih, elevasi timbul dan permukaan koloni kasar (Shieh 1994). Banyak strain dari bakteri ini yang menghasilkan protein yang beracun bagi serangga. Spora yang dibentuk oleh Bacillus thuringiensis berbentuk oval, berwarna hijau kebiruan dan berukuran mikrometer dan Bt membentuk kristal protein (δ-endotoksin) bersamaan dengan terbentuknya spora. Bakteri ini mempunyai endospora subterminal berbentuk oval dan selama sporulasi menghasilkan satu kristal protein dalam setiap selnya (Gill et al. 1992). Berbagai isolat Bt dengan berbagai jenis kristal protein yang dikandungnya telah teridentifikasi setelah diketahui besarnya potensi dari protein kristal Bt sebagai agen pengendali serangga. Sampai saat ini telah diidentifikasi kristal protein yang beracun terhadap larva dari berbagai ordo serangga yang menjadi hama pada tanaman pangan dan hortikultura. Kebanyakan dari kristal protein tersebut lebih ramah lingkungan karena mempunyai target yang spesifik sehingga tidak mematikan serangga bukan sasaran dan mudah terurai sehingga tidak menumpuk dan mencemari lingkungan. Bacillus thuringiensis aizawai merupakan salah satu bakteri yang telah banyak digunakan untuk memproduksi bioinsektisida. Bacillus thuringiensis aizawai sangat efektif mengendalikan larva ordo Lepidoptera dan Diptera, terutama ulat daun kubis dan hama-hama sayuran lainnya (Lereclus et al. 1993). Kristal protein (δ-endotoksin) merupakan komponen utama yang bersifat insektisidal. Kristal protein (δ-endotoksin) bersifat termolabil karena dapat terdenaturasi oleh panas dan tidak larut dalam pelarut organik, namun larut dalam pelarut alkalin (Faust dan Bulla 1982). Kristal protein memiliki bentuk yang memiliki hubungan nyata dengan kisaran daya bunuhnya. Varietas yang memiliki daya bunuh terhadap ordo Lepidoptera memiliki kristal protein berbentuk bipiramida dan jumlahnya satu untuk setiap sel vegetatifnya. Sedangkan kristal protein yang bersifat toksik terhadap ordo Diptera memiliki bentuk kubus, oval, dan amorf dengan jumlah dapat lebih dari satu untuk setiap selnya (Trizelia 2001). Aronson et al. (1986) dan Gill et al. (1992) menyatakan bahwa komponen utama penyusun penyusun kristal protein pada sebagian besar Bacillus thuringiensis adalah polipeptida dengan berat molekul kilodalton (kda). Polipeptida berikut merupakan protoksin yang dapat diubah 4

19 menjadi toksin dengan berat molekul yang bervariasi dari 30 sampai 80 kda setelah mengalami hidrolisis dalam kondisi ph alkalin dan adanya protease dalam saluran pencernaan serangga. Aktivitas insektidsida akan hilang kembali apabila berat molekulnya kurang dari 30 kda. Kristal protein dibentuk dalam tujuh tahap yang berlangsung selama 12 jam dari saat pertama sel vegetatif akan bersporulasi sampai spora dan kristal terbentuk sempurna. Kristal protein ini dibentuk di luar eksosporum selama masa sporulasi tahap III sampai IV (Fast 1981). Gen penyandi penyususun kristal protein untuk masing-masing subspesies Bacillus thuringiensis berbeda-beda. Terdapat 14 gen penyandi kristal protein yang terdiri dari 13 gen Cry (kristal protein) dan 1 gen Cyt (sitolitik). Gen Cry pada Bacillus thuringiensis dibagi ke dalam 4 kelas, dimana masing-masing kelas memiliki toksisitas spesifik terhadap jenis serangga tertentu. Berdasarkan tipe patogenitasnya, pengelompokan Bacillus thuringiensis dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Tipe patogenitas dari Bacillus thuringiensis dan contoh produknya Subspesies Jenis Gen Tipe patogenitas Contoh produk Bacillus thuringiensis Cry I Spesifik untuk ordo Dipel, Bactospeine subsp. kurstaki Lepidoptera Bacillus thuringiensis Cry II Spesifik untuk ordo Certan subsp. aizawai Lepidoptera dan Diptera Bacillus thuringiensis Cry III Spesifik untuk ordo Trident, M-one subsp. sandiego Coleoptera Bacillus thuringiensis Cry IV Spesifik untuk ordo Vectobac, Bactimos subsp. israelensis Diptera Sumber: Ellar et al. (1986) Proses toksisitas kristal protein sebagai bahan aktif bioinsektisida dimulai dengan termakannya kristal protein oleh serangga. Kristal protein ini akan dipecah oleh enzim protease pada kondisi basa dalam usus tengah serangga sehingga melepaskan δ-endotoksin yang bersifat toksin. Toksin ini akan berinteraksi dengan reseptor-reseptor pada sel-sel epithelium usus tengah larva serangga yang rentan. Setelah toksin ini bereaksi, maka akan menyebabkan terbentuknya lubanglubang pada membran sel sehingga dapat mengganggu keseimbangan osmotik sel dan mengakibatkan terjadinya pembengkakan yang menyebabkan larva berhenti makan dan mati (Gill et al. 1990). Apabila serangga target tersebut tidak rentan terhadap aksi δ-endotoksin secara langsung, maka dampak dari pertumbuhan spora di dalam tubuh serangga tersebut yang akan menyebabkan kematiannya. Spora tersebut akan berkecambah dan menyebabkan membran usus serangga rusak. Replikasi dari spora akan membuat jumlah spora dalam tubuh serangga semakin banyak dan menyebabkan perluasan infeksi di dalam tubuh serangga yang pada akhirnya menyebabkan serangga tersebut mati (Swadener, 1994). Milne et al. (1990) melaporkan bahwa cara kerja toksin yang dihasilkan Bacillus thuringiensis ditentukan oleh dua faktor yaitu faktor spesifikasi mikroorganisme dan kerentanan serangga target. Sedangkan menurut Swadener (2004) umur larva serangga juga mempengaruhi toksisitas toksin Bacillus thuringiensis dimana larva serangga yang muda lebih rentan dibandingkan larva yang lebih tua. 5

20 2.3. Proses Produksi Bioinsektisida Mikrobial Media Pertumbuhan Media merupakan salah satu faktor yang sangat berpengaruh pada proses fermentasi Bacillus thuringiensis. Menurut Dulmage et al. (1990) medium basal untuk pertumbuhan Bacillus thuringiensis terdiri dari garam, glukosa, dan asam amino seperti asam glutamat, asam aspartat dan alanin dalam konsentrasi yang cukup untuk mendukung pertumbuhan dan sporulasi Bacillus thuringiensis. Karbon adalah bahan utama untuk mensintesis sel baru atau produk sel. Beberapa sumber karbon yang dapat digunakan untuk memproduksi bioinsektisida dari Bacillus thuringiensis dengan fermentasi terendam adalah glukosa, sirup jagung, dekstrosa, sukrosa, laktosa, gula, minyak kedelai, dan molase dari bit dan tebu (Dulmage dan Rhodes 1971). Salah satu media yang dapat digunakan untuk pertumbuhan Bacillus thuringiensis adalah limbah cair tahu. Limbah cair tahu merupakan hasil samping produksi tahu yang dihasilkan pada proses pencucian, perendaman, serta pada proses penggumpalan tahu atau disebut whey. Menurut Nuraida (1985), setiap 1 kg kedelai dihasilkan limbah cair tahu berupa whey tahu rata-rata 43.5 liter seperti yang sajikan pada Gambar 1 mengenai neraca massa proses pembuatan tahu. Kedelai 60 kg Air 2,700 kg Proses produksi tahu Tahu 80 kg Ampas tahu 70 kg Limbah cair tahu 2610 kg Gambar 1. Neraca massa proses pembuatan tahu (Nuraida, 1985) Kebutuhan tahu yang semakin meningkat dari tahun 2005 sampai 2009 akan mengakibatkan jumlah produksi tahu juga semakin meningkat sehingga jumlah limbah cair tahu yang dihasilkan turut meningkat. Peningkatan produksi tahu Indonesia dari tahun 2005 sampai 2009 dapat dilihat pada Tabel 4. Sampai saat ini, limbah cair tahu belum dimanfaatkan secara maksimal dan hanya menjadi limbah yang mencemari lingkungan, padahal pada limbah cair tahu masih mengandung bahan-bahan organik yang dapat dimanfaatkan untuk pertumbuhan mikroorganisme. Limbah cair tahu ini potensial untuk dimanfaatkan sebagai media pertumbuhan Bt. aizawai dalam produksi bioinsektisida karena jumlahnya yang banyak dan kandungan karbon dan nitrogennya yang dimanfaatkan untuk produksi sel dan spora. Kandungan kimia limbah cair tahu tercantum pada Tabel 5 berikut. 6

21 Tabel 4. Produksi tahu di Indonesia tahun Tahun Produksi (Ton) , , , , , Sumber : Puslitbang Sosek Pertanian (2009) Tabel 5. Kandungan kimia limbah cair tahu Komponen Limbah Cair (%) Kadar air 99.0 Kadar abu 0.43 Protein 0.13 Nitrogen (N) 0.02 Karbon (C) 0.27 Lemak 0.79 Serat 0.01 Sumber: Syarfat (2010) Priatno (1999) menyatakan bahwa air kelapa dapat digunakan sebagai sumber karbon untuk memproduksi bioinsektisida mikrobial dari Bacillus thuringiensis. Selain itu air kelapa bersifat fermentable sugar sehingga mudah diserap dalam proses fermentasi dan dapat mengoptimalkan media fermentasi. Nilai nutrisi yang terkandung dalam air kelapa cukup lengkap yaitu: vitamin, mineral, dan zat-zat tumbuh seperti asam nikoton, auksin, giberelin, piridoksin, dan thiamine, sehingga air kelapa ini sangat potensial untuk dijadikan media pertumbuhan Bacillus thuringiensis. Komposisi nutrisi dan mineral pada air kelapa dapat dilihat pada Tabel 6 dan 7 di bawah ini. Tabel 6. Komposisi nutrisi air kelapa Komponen Air Kelapa Muda (%) Air Kelapa Tua (%) Kadar air Kadar abu Kadar lemak Kadar protein Kadar karbohidrat Sumber: Woodroof (1979) 7

22 Tabel 7. Kandungan mineral air kelapa Jenis Mineral Kandungan (mg/100ml) Kalium 312 Natrium 105 Kalsium 29.0 Magnesium 30.0 Besi 0.10 Tembaga 1.14 Fosfor 37.0 Belerang 24.0 Sumber: Ketaren (1978) Urea merupakan sumber nitrogen yang sesuai dengan pertumbuhan mikroorganisme karena kemampuannya untuk mempertahankan ph. Namun urea ini bersifat kurang stabil selama proses sterilisasi sehingga penggunaannya dibatasi. Urea digunakan untuk menyeimbangkan konsentrasi rasio C/N dimana kondisi perbandingan sumber karbon dan nitrogen dalam media yang optimal adalah yaitu 7:1 (Wicaksono (2002) dan Dulmage et al. (1990). Mikroorganisme juga membutuhkan mineral untuk pertumbuhan dan pembentukan produk metabolit. Menurut Dulmage & Rodes (1971), garam-garam organik yang dibutuhkan untuk pertumbuhan mikroorganisme yaitu: K, Mg, P, S, dan mineral yang diperlukan dalam jumlah sedikit yaitu: Ca, Zn, Fe, Co, Cu, Mo, Mn. Ca selain berperan dalam produksi dan produksi δ-endotoksin juga berfungsi untuk menjaga kestabilan spora terhadap panas. Penambahan ion Mg 2+, Mn 2+, Zn 2+, dan Ca 2+ ke dalam medium perlu dipertimbangkan karena berperan dalam pertumbuhan dan sporulasi Bacillus thuringiensis Dalam medium fermentasi Bacillus thuringiensis ditambahkan pula 0.3 g/l MgSO 4. 7 H 2 O, 0.02 MnSO 4.7 H 2 O, 0.02 g/l ZnSO 4. 7 H 2 O, 0.02 g/l FeSO 4. 7 H 2 O, dan 1.0 g/l CaCO 3 (Vandekar & Dulmage 1982) Kondisi Kultivasi (Fermentasi) Fermentasi yang umum digunakan untuk memproduksi bahan aktif bioinsektisida dengan menggunakan kultur Bacillus thuringiensis adalah fermentasi semi padat (semi solid fermentation) dan fermentasi terendam (submerged fermentation). Pada umumnya fermentasi terendam atau fermentasi cair lebih disukai karena menjaga kesterilan kultur serta proses pemanenan dan pengaturan parameter proses produksi atau fermentasi yang lebih sederhana. Selain itu, produk hasil fermentasi cair dapat langsung digunakan dibandingkan hasil fermentasi semi padat yang sulit disuspensikan karena ada kecenderungan menggumpal (Sjamsuritra et al. 1984). Teknik kultivasi secara terendam dapat dilakukan dengan sistem tertutup pada fermentor. Pada umumnya, jenis fermentor yang digunakan adalah fermentor tangki berpengaduk karena merupakan jenis fermentor yang paling sederhana. Fermentor ini digunakan untuk substrat yang mempunyai viskositas tinggi dan berbentuk koloid tanpa mengakibatkan penyumbatan, serta enzim terimobilisasi dengan aktivitas rendah (Machfud et al. 1989). Proses fermentasi terendam dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu fermentasi sistem tertutup (batch process), fermentasi kontinyu, dan fermentasi sistem tertutup dengan penambahan substrat pada selang waktu tertentu atau semi kontinyu (fed batch process). Bernhard dan Utz (1993) menyatakan bahwa produksi bioinsektisida Bacillus thuringiensis pada umumnya dilakukan dengan fermentasi sistem tertutup karena hasil akhir yang diharapkan 8

23 adalah spora dan kristal protein yang dibentuk selama proses sporulasi. Menurut Dulmage dan Rhodes (1971), faktor-faktor yang mempengaruhi proses fermentasi Bacillus thuringiensis adalah komposisi medium dan kondisi untuk pertumbuhan mikroba seperti ph, oksigen dan temperatur. Kualitas dan kuantitas δ-endotoksin yang dihasilkan selama proses fermentasi sangat dipengaruhi oleh metode produksinya. Menurut Bernhard dan Utz (1993), jumlah δ-endotoksin yang dihasilkan setiap sel yang sedang bersporulasi akan tergantung pada kepadatan populasi sel dalam kultur fermentasi tersebut. Sedangkan menurut Luthy et al. (1992), konsentrasi yang ditetapkan untuk produksi skala besar antara 5 x 10 9 sampai 1 x spora per ml. Kondisi fermentasi Bacillus thuringiensis dalam labu kocok dilakukan pada suhu o C, ph awal medium kultur sekitar , agitasi rpm dan dipanen pada waktu inkubasi jam (Vandekar & Dulmage 1982). Sedangkan menurut Sikdar dan Majumdar (1993) menyatakan bahwa fermentasi Bacillus thuringiensis dalam fermentor dilakukan pada suhu o C, ph awal medium , volume medium sekitar setengah sampai dua per tiga dari kapasitas volume fermentor, agitasi rpm, aerasi vvm, dan dipanen pada waktu inkubasi jam. Menurut Benhard dan Utz (1993), Bacillus thuringiensis termasuk ke dalam bakteri mesofilik yang dapat tumbuh pada ph kisaran 5.5 dan 8.5 dan tumbuh optimum pada ph dengan suhu antara o C. Afrianto (2006) menyatakan bahwa pemberian agitasi dan aerasi dapat mengoptimalkan pertumbuhan Bacillus thuringiensis dalam fermentor, dimana kecepatan agitasi 200 rpm dengan laju aerasi 1 vvm pada fermentor tangki berpengaduk menghasilkan tingkat toksisitas tertinggi. Aktivitas bioinsektisida dari mikroorganisme tidak dapat diukur secara kimia melainkan dengan bioassay. Menurut Vandekar dan Dulmage (1982), bioassay merupakan salah satu cara untuk menentukan serbuk bahan aktif yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Aktivitas bioinsektisida mikrobial dapat ditentukan dengan menghitung jumlah spora hidup melalui bioassay untuk menentukan kadar letal (LC 50 ) dan International Unit (IU). Nilai LC 50 menunjukkan konsentrasi bioinsektisida yang menyebabkan 50 % serangga uji mati. Potensi produk bioinsektisida (IU/mg) dapat dihitung dengan rumus potensi contoh uji (IU/mg). LC 50 standar IU Potensi Contoh Uji (IU/mg)= potensi standar ( LC 50 contoh uji mg ) (1.1) Pemanenan produk bioinsektisida Bacillus thuringiensis berupa campuran spora dan kristal protein (delta-endotoksin ini dapat dilakukan dengan sentrifugasi, filtrasi, presipitasi, freeze drying atau kombinasi dari proses-proses berikut. Bahan aktif bioinsektisida ini dapat diformulasikan menjadi produk wettable powder, flowable liquid, dust atau granular tergantung pada tipe fermentasi, segi ekonomi serta kebutuhan formulasi (Ignofo dan Anderson 1979) Peningkatan skala (scale up) Scale-up adalah suatu studi yang mengolah dan mentransfer data penelitian skala laboratorium ke skala yang lebih besar menyangkut disain proses operasi atau dan perancangan bangunan peralatan. Scale up sangat penting karena aktivitas masing-masing mikrobial pada fermentor skala laboratorium itu sama. Peningkatan skala (scale up) meliputi peningkatan sistem baru yang lebih besar, serta perancangan dan penyusunan sistem yang lebih besar berdasarkan hasil percobaan dengan menggunakan model yang berukuran lebih kecil. Persyaratan penggandaan skala adalah geometri sistem sama, bahan yang digunakan sama dan proporsi bahan sama. Menurut Wang et al. (1978), pengembangan proses-proses mikrobial umumnya dilakukan dengan tiga skala yaitu: 9

24 1. Skala laboratorium yang merupakan tahap penyeleksian mikroba 2. Skala pilot plant, yaitu saat kondisi-kondisi optimal diterapkan 3. Skala industri, yaitu pelaksanaan proses-proses dengan mempertimbangkan perhitungan ekonomi. Faktor-faktor yang perlu diperhatikan dalam scale up diantaranya adalah biaya investasi fermentor dan peralatan lainnya harus minimum serta dapat dipercaya dan fleksibel untuk berbagai proses fermentasi, mikroba yang digunakan harus unggul. Selain itu, penggunaan tenaga dan panas harus efisien serta kebutuhan ruang yang minimum, dan apabila proses dilakukan secara curah maka harus dilakukan sesingkat mungkin sehingga diperoleh hasil yang tinggi dan penggunaan peralatan maksimum (Stanbury dan Whitaker 1984). Pada kajian penggandaan skala, faktor-faktor kimiawi dalam lingkungan harus dijaga konstan, sedangkan faktor fisik sangat tergantung pada pada ukuran dan skala produksi. Peubah skala pada proses fermentasi menyebabkan berubahnya beberapa peubah. Peubah yang tetap selama proses adalah rancangan dasar fermentor, spesies dan galur mikroba, jenis dan komposisi media, suhu sterilisasi, suhu operasi fermentor, reaksi di dalam kultur serta ukuran gelembung udara. Sedangkan peubah yang meningkat selama penggandaan skala adalah ukuran fisik fermentor, bahan baku dan peralatan, jumlah bahan baku yang ditangani pada proses sterilisasi dan pendinginan media. Peubah yang bersifat menurun selama proses penggandaan skala adalah luas permukaan untuk aerasi dan nisbah luas per volume media (Mangunwidjaja, 2002). Pada skala kecil, gradien konsentrasi dan tekanan sangat kecil (sistem pengadukan baik) maka gaya gunting juga kecil. Namun, pada skala besar perpindahan mikroorganisme jelas akan merubah konsentrasi oksigen, nutrient, dan tekanan, oleh karena itu daya gunting turbulen juga akan semakin besar. Apabila kesamaan geometri fermentor skala kecil dan skala besar dipertahankan, serta kondisi fermentasi seperti komposisi media, suhu, ph, dan konsentrasi oksigen terlarut dianggap sama maka perilaku penting dari cairan dalam tangki fermentor berpengaduk adalah tenaga yang digunakan untuk agitasi (P) dan kecepatan agitasi (N) (Aiba et al. 1973). Beberapa persamaan penting yang terlibat dalam penggandaan skala: 1. Tenaga per unit volume suspense kultur di dalam fermentor (P/V): PV= N 3 D 2 (1.2) 2. Kecepatan putar suspense kultur dalam fermentor (F/V) F/V= N (1.3) 3. Kecepatan ujung impeller (v) V= ND (1.4) 4. Modifikasi bilangan Reynold ND 2 ρ/µ= ND 2 (1.5) Keterangan: P = konsumsi tenaga F = laju alir ρ = densitas cairan fermentasi V= volume cairan fermentsi N = laju sirkulasi cairan fermentasi D = diameter pengaduk µ = viskositas media 10

25 Penggandaan skala dapat menyebabkan berubahnya lingkungan fisik, sehingga perlu ditentukan parameter penggandaan skala yang baik. Parameter-parameter penggandaaan skala adalah menggunakan masukan tenaga per unit volume (Pg/V), koefisien transfer oksigen (K L a) yaitu korelasi empiris yang menghubungkan koefisien transfer oksigen keseluruhan dengan variabel-variabel peralatan dan operasi, kecepatan ujung impeller, kecepatan ujung impeler (N D ), waktu pencampuran seimbang, bilangan Reynold, atau faktor-faktor momentum dan pengendalian umpan balik untuk menjamin besanya faktor-faktor kunci lingkungan setepat mungkin (Wang et al. 1978). Menurut Mangunwidjaja (2002), beberapa metode yang dapat digunakan untuk meningkatkan skala reaktor yaitu: 1. Metode dasar (pemecahan neraca mikro untuk perpindahn momentum, massa, dan panas) 2. Metode semi dasar (pemecahan neraca yang disederhanakan) 3. Analisis dimensional (analisa tak berdimensi) 4. Kaidah ibu jari (rule of thumb) 5. Metode trial and error Kaidah ibu jari telah banyak diterapkan dalam industri fermentasi dengan patokan penggandaan skala yang berhubungan dan mengacu pada perpindahan oksigen (tekanan parsial O 2 dan Po 2 adalah fungsi dari K L a yang merupakan fungsi dari Pg/V). Hasil penelitian Purnawati (2006), menyatakan bahwa efisiensi penggunaan substrat berdasarkan hasil scale up skala laboratorium ke skala pilot plant berbasis Pg/V memperoleh hasil yang lebih baik dibandingkan peningkatan skala berbasis K L a yang menunjukkan bahwa metabolisme Bacillus thuringiensis berlangsung baik. Menurut Wang et al. (1978), apabila tenaga per volume pada berbagai skala dipertahankan tetap, maka terdapat hubungan antara kecepatan impeler (N) dengan diameter impeller (D) menurut persamaan berikut: N 2 3 D 2 2 = N 1 3 D

26 III. METODE PENELITIAN 3.1. Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah fermentor volume 3 liter dan 40 liter, rotary shaking incubator, autoklaf, ph-meter, spektofotometer, inkubator, neraca analitik, penangas, oven, desikator, sentrifuse, lemari es, freezer, loop inokulasi, tabung reaksi, pipet, cawan petri, gelas piala, labu Erlenmeyer, tabung eppendorf, kertas saring, dan bunsen. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kultur Bacillus thuringiensis aizawai pada agar miring, limbah cair tahu Yun-Yi, air kelapa, larva ulat Crocidolomia pavonana, nutrient agar (NA), nutrient broth (NB), NaOH, CaCO 3, urea, H 2 SO 4 pekat, fenol, garam fisiologis, etanol 95%, aquades, spirtus, MgSO 4.7 H 2 O, MnSO 4.7 H 2 O, ZnSO 4.7 H 2 O, FeSO 4.7 H 2 O Tahapan Penelitian Pendahuluan Analisa Bahan Baku Analisa bahan baku dilakukan untuk menganalisa kandungan kimia yang terdapat pada air kelapa dan limbah cair tahu. Analisa yang dilakukan meliputi analisa kadar nitrogen, kadar karbon, kadar air, dan kadar abu pada bahan. Prosedur analisa terlampir pada Lampiran Persiapan Inokulum Inokulum atau kultur bibit untuk menginokulasi medium fermentasi disiapkan secara bertahap mengikuti metode Vandekar dan Dulmage (1982) yaitu sebagai berikut: Satu lup biakan Bacillus thuringiensis aizawai Inokulasi dalam 50 ml medim NB steril (labu pembibitan I) Inkubasi dalam rotary shaking incubator, 180 rpm, 30 o C selama 12 jam Inokulasi pada medium NB steril (labu pembibitan II ) yaitu 5 % dari labu pembibitan 1 Inkubasi dalam rotary shaking incubator, 180 rpm, 30 o C selama 12 jam Inokulum Gambar 2. Diagram alir persiapan inokulum (Vandekar dan Dulmage 1982) 12

27 3.3. Penelitian Utama Penelitian utama dilakukan dengan mentranslasikan kondisi fermentasi yang optimal bagi pertumbuhan Bacillus thuringiensis dari skala laboratorium hasil penelitian sebelumnya yaitu rasio C/N= 7:1 pada fermentor 3 liter yang kemudian ditingkatkan menjadi skala pilot 40 liter melalui kesamaan geometri fermentor dengan dokumentasi penelitian yang terdapat pada Lampiran 1. Penelitian penggandaan skala ini dilakukan dengan memperhitungankan kebutuhan tenaga per unit volume (Pg/V) tetap sebagai dasar penggandaan skala pada skala industri menggunakan fermentor berkapasitas 10,000 liter Persiapan Medium Fermentasi Medium fermentasi yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah cair tahu sebagai sumber nitrogen dan karbon serta air kelapa sebagai sumber karbon yang bersifat fermentable sugar dengan mengacu pada penelitian Wicaksono (2002) dan pernyataan Dulmage et al. (1990) yaitu konsentrasi C/N adalah 7:1. Hasil penelitian Rachmawati (2011), menunjukkan bahwa komposisi formulasi media limbah cair tahu dan air kelapa yang menghasilkan tingkat toksisitas tertinggi adalah 80:20. Komposisi medium fermentasi terdapat pada Tabel 8 dan perhitungan medium fermentasi yang terdapat pada Lampiran 2. Tabel 8. Komposisi medium fermentasi Komponen Medium Campuran limbah cair tahu, air kelapa, dan urea CaCO 3 MgSO 4.7 H 2 O MnSO 4.7 H 2 O ZnSO 4.7 H 2 O FeSO 4.7 H 2 O Sumber: a Dulmage dan Rhodes (1971) Konsentrasi C:N = 7:1 1.0 g/l a 0.3 g/l a 0.02 g/l a 0.02 g/l a 0.02 g/l a Medium fermentasi berupa air kelapa dan limbah cair tahu dicampur dengan CaCO 3, urea dan trace element dan disterilisasi pada suhu C pada tekanan 1 atm selama 15 menit, kemudian dimasukkan dalam fermentor kapasitas 3 dan 40 liter yang telah disterilisasi. Proses sterilisasi ini berfungsi untuk mematikan semua mikroorganisme pada media dan fermentor sehingga tidak mengganggu proses pertumbuhan Bt. aizawai selama proses fermentasi Proses Fermentasi Proses fermentasi Bacillus thuringiensis aizawai dilakukan dengan sistem curah pada fermentor berkapasitas 3 liter pada suhu o C, ph awal medium , volume medium sekitar setengah sampai dua per tiga dari kapasitas volume fermentor, dan dipanen pada waktu fermentasi 72 jam. Pemberian agitasi dan aerasi yang mengacu pada penelitian Afrianto (2006) yaitu proses fermentasi pada fermentor tangki berpengaduk 3 liter dengan kecepatan agitasi 200 rpm dengan laju 13

28 aerasi 1 vvm memberikan kondisi yang optimum bagi pertumbuhan Bacillus thuringiensis. Kondisi fermentasi ini dilakukan 2 kali ulangan dengan penambahan starter 10 % (v/v). Hasil fermentasi pada fermentor 3 liter ini ditingkatkan menjadi skala pilot plant 40 liter melalui kesamaan geometri fermentor yakni tipe pengaduk dan jumlah pengaduk (N) serta perbandingan diameter tangki dan diameter impeller. Berdasarkan perhitungan kebutuhan daya per volume (Pg/V) tetap, proses fermentasi Bt. aizawai pada fermentor 40 liter dilakukan pada suhu o C, ph awal medium , volume medium sekitar setengah sampai dua per tiga dari kapasitas volume fermentor, dan dipanen pada waktu fermentasi 72 jam dengan kecepatan agitasi 104 rpm dengan laju aerasi 0.9 vvm. Kesamaan geometri fermentor skala pilot 40 liter dijadikan dasar penggandaan skala yang meliputi bangun reaktor skala industri dengan fermentasi skala 10,000 liter dengan perhitungan secara teoritis berdasarkan perhitungan kebutuhan tenaga per unit volume (Pg/V) tetap Analisis Parameter Parameter yang dianalisa pada penelitian ini meliputi analisa bahan baku yaitu analisa kandungan kimia yang terdapat pada air kelapa dan limbah cair tahu serta analisa selama fermentasi meliputi: densitas media, viskositas media, pengukuran ph cairan fermentasi, optical density (OD), pengukuran bobot kering biomassa, analisis kadar gula total sisa dengan metode fenol, pengukuran pertumbuhan sel menggunakan metode TPC (Total Plate Count), dan pengukuran pembentukan spora dengan menentukan jumlah spora hidup dengan metode VSC (viable spore count). Analisa toksisitas produk bioinsektisida dilakukan melalui metode bioassay dengan pengujian terhadap larva ulat Croccidolomia pavonana yang dinyatakan dalam LC 50. Nilai LC 50 ini ditentukan dengan menggunakan analisis program Probit Quant. Prosedur analisa pada penelitian ini tercantum pada Lampiran 1. 14