I. PENDAHULUAN. Eceng gondok (Eichhornia Crassipes) merupakan gulma air yang telah

Transkripsi

1 I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Eceng gondok (Eichhornia Crassipes) merupakan gulma air yang telah banyak dikenal orang. Penyebarannya yang sangat cepat membuat eceng gondok menjadi sebuah masalah baru perairan yang dapat mengganggu ekosistem. Hal ini disebabkan eutrofikasi yang terjadi di badan air. Eutrofikasi merupakan peristiwa meningkatnya bahan organik dan nutrien (terutama unsur nitrogen dan fosfor) yang terakumulasi di badan air. Peningkatan bahan organik dan nutrien ini berasal dari limbah domestik, limbah pertanian, dan lain-lain (Merina dkk, 2011). International Union for Conservation of Nature(IUCN) telah mengelompokkan eceng gondok sebagai satu dari seratus tanaman yang termasuk spesies invasif (Te lezz dkk, 2008), bahkan dikenal sebagai tanaman yang penyebarannya berdampak buruk di seluruh dunia. Masalah eceng gondok juga telah menjadi perhatian khusus di Eropa, Afrika, Asia, dan Amerika Utara (Shanab dkk, 2010). Pada umumnya, penanganan eceng gondok sebagai gulma air di perairan ini lebih kepada pengendalian secara fisik/konvensional dengan cara dibuang atau dibakar sehingga menimbulkan masalah lingkungan yang baru. Karena hal tersebut, maka studi sekarang ini banyak difokuskan untuk memanfaatkan/utilisasi eceng gondok dengan dasar komponen-komponen yang dimilikinya menjadi produk yang lebih ramah lingkungan dan lebih bermanfaat.

2 Salah satu pemanfaatan eceng gondok dengan memperhatikan komponen organiknyayaitu kontribusinya pada produksienzim yang banyak dimanfaatkan pada beberapa industri komersial. Kandungan senyawa karbon didalamnyayaitu bahan ligno sangat menjanjikan. Ketersediaannya yang melimpah bahkan menjadi ujung tombak dalam menciptakan sebuah proses hidrolisis enzimatis dari biomassa yang ekonomis (Singh dkk, 2009). Selulase adalah sebuah enzim yang signifikan penggunaannya pada beberapa industri seperti makanan, tekstil, dan pemrosesan pulp dan kertas (Bhat, 2000). Penggunaan selulase pada penghilangan kontaminan tinta pada pengolahan kertas bekas/deinking (Lee dkk, 2007), produksi asam laktat (Gullon dkk, 2008), hidrolisis untuk menghasilkan bioethanol (Gray dkk, 2006; Olsson dkk, 1996) dan produk lainnya dari selulase telah banyak dilaporkan. Harga jual enzim selulase yang tinggi (Novozyme, NCBE, UK: 12.00/100 ml pada November, 2012; SGD 362/100 ml pada Maret 2013) akibat proses dan bahan baku murni yang mahal pemurniannya membuat para peneliti mencari sumber karbon dan proses yang lebih efisien, dan ini membawa para peneliti menginvestigasi beberapa tanaman yang dianggap menyediakan sumber karbon untuk produksi selulase. Salah satunya adalah eceng gondok yang selama ini menjadi masalah ekologi (merusak keseimbangan ekosistem dan mengurangi keanekaragaman aquatik), bahkan telah menjadi masalah sosial ekonomi karena mengganggu transportasi perairan.pemanfaatan eceng gondok yang baik ini akan menjadikan eceng gondok sebagai tanaman yang lebih bernilai.

3 Proses produksi enzim selulase dari bahan ligno secara singkat meliputi metode praperlakuan bahan ligno, pemilihan mikroba, serta teknologi fermentasi. Metode praperlakuan pada bahan ligno dalam memproduksi enzim selulase merupakan salah satu bagian yang mempengaruhi tingginya biaya, hasil, dan kualitas enzim selulase yang dihasilkan. Metode praperlakuan yang sering digunakan baik skala kecil () maupun industri dalam mendegradasi lignin dari bahan ligno ini adalah metode secara kimia dan fisik-kimia, yang tentu saja memerlukan bahan kimia dengan jumlah dan konsentrasi yang tinggi agar lignin yang terdegradasi diharapkan lebih besar sehingga semakin mudah dihidrolisis oleh mikroba baik untuk pertumbuhannya maupun untuk produksi enzim selulase (Gunam, 1997; Gunam dkk, 2004; Lee dkk, 2009). Ketersediaan energi berbahan bakar fosil yang semakin menipis keberadaannya membuat semakin dikembangkan untuk mencari alternatif yang lebih baik atau sebanding nilainya dengan energi yang digunakan saat ini. Sebagai senyawa yang paling melimpah di muka bumi, dapat menjadi sumber energi yang murah dan terbarukan. Di samping sebagai sumber energi, dapat juga dimanfaatkan untuk pembuatan sirup glukosa dan protein sel tunggal. Perkembangan produksi enzim selulase dengan bahan ligno/ dapat dilihat dalam Tabel 1.1.

4 Praperlakuan yang banyak digunakan pada beberapa yang telah dilakukan adalah metode secara kimia dan fisik. Dalam skala besar metode secara kimia dan fisik praktis dan tidak memerlukan waktu yang lama dalam prosesnya hanya praperlakuan tersebut terkendala pada masalah baru seperti limbah kimia yang dihasilkan, dan penggunaan energi yang besar. Oleh karenanya pada ini praperlakuan secara fisik dan biologi dipilih sebagai metode praperlakuan dalam produksi enzim selulase karena lebih mungkin mengurangi limbah berbahaya dan aman bagi lingkungan. 1.2 Perumusan Masalah Penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa praperlakuan memiliki peranan penting dalam membantu proses produksi enzim selulase menggunakan mikroba komersial seperti Aspergillus niger dan Trichoderma reesei, maka perumusan masalah yang digunakan dalam ini adalah: a. Bagaimana pengaruh kedua praperlakuan (fisik dan biologi) dalam mendegradasi lignin sehingga dapat dihidrolisis mikroba untuk pertumbuhannya maupun produksi enzim selulase. b. Bagaimana aktivitas enzim selulase yang dihasilkan dengan dilakukannya dua praperlakuan (fisik dan biologi) dan monokultur/mix kultur penggunaan mikroba dalam proses fermentasi.

5 1.3 Tujuan Penelitian Pada yang dilakukan ini diharapkan dapat: 1. Menganalisis keberhasilan metode praperlakuan fisik dan biologi pada aktivitas mikroba dalam memproduksi enzim selulase. 2. Menentukan kondisi terbaik (kelembaban/moisture content substrat, waktu fermentasi, mono/mix kultur mikroba) terhadap aktivitas mikroba. 1.4 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai produksi enzim selulase dengan praperlakuan yang lebih murah sehingga dapat dimanfaatkan/diaplikasikan oleh masyarakat yang berada di sekitar pertumbuhan eceng gondok. 1.5 Lingkup Penelitian Penelitian ini terbatas pada produksi enzim selulase dengan batasan-batasan masalah: a. Tahap praperlakuan: melakukan dua metode praperlakuan terhadap eceng gondok yaitu secara fisik dengan pengecilan ukuran dan biologi dengan menggunakan jamur pelapuk putih Ganoderma boninense yang berasal dari Laboratorium Mikrobiologi FMIPA Jurusan Biologi Universitas Sumatera Utara. b. Tahap proses produksi enzim selulase:

6 1. Mikroba yang digunakan dalam fermentasi untuk produksi enzim selulase adalah Aspergillus niger dan Trichoderma reesei. 2. Variabel bebas yang digunakan antara lain: moisture content (65-85%), waktu fermentasi (3-9 hari), dan pemakaian mono/mix kultur mikroba. 3. Variabel terikat adalah medium pertumbuhan dan komposisi nutrisinya, medium fermentasi (medium Mandel Weber), suhu fermentasi 30 o C, dan ph 5 (Oberoi dkk, 2010). c. Tahap analisis hasil proses: parameter pada ini adalah kadar lignin,, dan aktivitas enzim selulase.

7

8 Tabel 1.1 Perkembangan Produksi Enzim Selulase dari Bahan Ligno/Selulosa Peneliti/Judul 1. Qin Liu-Hui dkk, 2012 / Evaluation of cellulases produced from four fungi cultured on furfural residues and microcrystalline cellulose (MCC) Residu furfural dan mikrokristal Fisik : pengeringan dan pengecilan ukuran mesh(residu furfural) Trichoderma viridee, T. Koningii, T. Reesi, Aspergillus Niger - Produksi selulase pada MCC : pada waktu fermentasi 15 hari, T = 30 o C, konsentrasi substrat 20 g/l aktivitas enzim selulase tertinggi ditunjukkan oleh T.Koningii > T. viridee > A. Niger > T. Reesei. Walaupun demikian masing-masing fungi unggul dalam satu atau dua bagian enzim sinergis selulase. - Produksi selulase pada residu furfural : waktu, suhu dan kinsentrasi yang sama menunjukkan T. viridee > A. Niger > T. Koningii > T. Reesei. Secara umum, aktivitas enzim selulase diperoleh pada waktu maksimum fermentasi hari ke Quiroz Estela R dkk, 2010 / Evaluation of different lignocellulosics substrates for the production of cellulases and Serbuk kayu oak dan cedar, sekam padi, tunggul jagung, jerami padi dan kulit biji jarak Fisik : pengeringan dan pengecilan ukuran maksimum 4 mm dan minimum 0,5 mm. Bjerkandera adusta and Pycnoporus sanguineus Fermentasi oleh kedua fungi dilakukan pada suhu 28 o C, selama 6-15 hari. Aktivitas enzim selulase pada fungi P. Sangineus pada ke enam bahan ligno menunjukkan : serbuk kayu cedar > serbuk kayu oak >

9 Peneliti/Judul xylanases by the basiodiomycete fungi Bjerkandera adusta and Pycnoporus sanguineus 3. Oberoi H.S dkk, 2010/ Production of cellulases through solid state fermentation using kinnow pulp as a major substrate Kinnow(jeruk) pulp, dan dedak gandum (campuran untuk variasi perlakuan) Fisik : pengeringan dan pengecilan ukuran menggunakan cyclotec mill diayak sampai ukuran kurang lebih 0,83 mm. Trichoderma Reesei jerami gandum > tunggul jagung > kulit biji jarak > sekam padi Waktu optimum fermentasi pada hari ke delapan aktivitas enzim selulase pada fungi B.adusta : serbuk kayu cedar > jerami gandum > sekam padi > serbuk kayu oak > kulit biji jarak > tunggul jagung Waktu optimim fermentasi pada hari ke enam Waktu fermentasi 5 hari, ph 6, T = 30 o C -Penelitian ini memvariasikan antara: 1.substrat(kinnow pulp) (K) + penambahan air(w) 2. K + penambahan mandel weber medium (MW) 3. K + penambahan dedak gandum (WB) + W (K:WB = 4:1) 4. K + WB + W (K:WB = 3:2) 5. K + WB + MW (K:WB = 4:1) 6. K + WB + MW (K:WB = 3:2) Dengan waktu optimum hari ke-4, didapat aktivitas enzim selulase : 6 > 4 = 5 > 3 > 2 >1.

10 Peneliti/Judul 4. De Castro A. M dkk, 2010 / cellulases from Penicillium funiculosum : production, properties, and application to cellulose hydrolysis Bagas tebu Kimia : - Praperlakuan asam : 3% v/v H 2 SO 4(aq) - Praperlakuan basa : 4% w/v Penicillium funiculosum -Penelitian ini memvariasikan media tanpa praperlakuan, dengan satu praperlakuan (asam/basa), dan dua praperlakuan campuran (asam dan basa). -suhu fermentasi optimum pada 37 o C, ph 4,82-4,96, waktu inkubasi 7-8 hari yaitu pada media dengan campuran dua praperlakuan. 5. Feng Yue dkk, 2011 / Enzymatic degradation of steam-pretreated lespedeza stalk by cellulosic substrate induced cellulases Tangkai bunga Lespedeza Fisik : steam dengan tekanan 2 MPa selama 4 menit, dihaluskan dengan ayakan 60 mesh Trichoderma viridee Penelitian ini membandingkan aktivitas selulase hasil fermentasi antara lespedeza dengan tiga sumber karbohidrat yaitu Filter paper (FP), microcrystalin (MCC), dan carboxymethyl.(cmc) Aktivitas enzim selulase terbaik adalah FP > lespedeza > MCC > CMC pada T = 30 o C waktu fermentasi 7 hari. 6. Singh Anita dkk, 2009 / Production of cellulases by Aspergillus Heteromorphus Jerami gandum Tidak ada keterangan praperlakuan Aspergillus Heteromorphus Penelitian ini memvariasikan ph (3-8), suhu (20 45 o C) dan waktu fermentasi (0-7 hari). Kondisi optimum aktivitas enzim selulase adalah pada hari ke-5 fermentasi pada T=30 o C dan ph 5.

11 Peneliti/Judul from wheat straw under submerged Fermentation 7. Herculano P Nunes dkk, 2011 / cellulase production by Aspergillus Japonicus URM 5620 using waste from castor bean under solid state fermentation Ampas biji castor (cake) Fisik : Pengecilan ukuran antara 3 dan 8 mm Aspergillus Japonicus Penelitian ini memvariasikan jumlah substrat (5-10 g), kelembaban (15-35%), ph (4-6), suhu (25-35 o C) Kondisi terbaik produksi emzim selulase adalah pada substrat 5 gr, kelembaban 15%, ph 6, dan suhu 25 o C. 8. Kumar Sanjay dkk, 2011 / Effect of substrate and Fermentations conditions on pectinase and cellulase production by Aspergillus Niger NCIM 548 in Submerged and Solid state Dedak gandum,dedak jagung dan kulit jeruk (2:1:2) Fisik :pengecilan ukuran dengan pengayakan 40 mesh Aspergillus Niger Kondisi optimum ini : -SMF : perolehan selulase optimum pada 5-6 hari, ph 4,6, dan pada konsentrasi sumber karbon 65 g/l -SSF : perolehan selulase optimum pada 6-7 hari, ph 4,5, moisture content 65%.

12 Peneliti/Judul fermentation 9. Ilyas Umbrin dkk, 2011 / Solid state fermentation of Vigna Mungo for cellulase production by Aspergillus Niger 10. Juhasz T, 2005 / Enzymes for improved hydrolysis of lignocellulosic Vigna mungo (bijibijian)/black matpe bean Solka flok, willow (SPW),spruce (SPS), corn stover (SPCS) dengan steam pretreated, dan serat jagung chemical pretreated (CPCF). Fisik-kimia : pengecilan ukuran Direndam NaOH dan H 2 SO 4 Fisik : untuk SPW, SPS, dan SPCS disteam dengan impregnant SO 2 pada substrat pada temperature dan waktu tertentu utk berbeda substrat Kimia: pada suhu 120 o C selama 2 jam Aspergillus niger Mixed culture of T.Reesei dan A. Niger Penelitian ini memvariasikan sumber N, moisture content (60-95%), waktu fermentasi ( jam), suhu (25-45 o C), dan konsentrasi alkali pada pretreatment kimia. Hasil terbaik aktivitas enzim selulase ditunjukkan : -sumber N : (NH 4 ) 2 SO 4 > urea > NH 4 NO 3 > yeast ekstrak > NH 4 Cl > (NH 4 ) 2 PO 4 > malt ekstrak > pepton > tripton > NaNO 3. -moisture content 70% -suhu 30 o C, ph 4,5, dan waktu fermentasi 96 jam / 4 hari. SPCS adalah sumber karbon terbaik dalam fermentasi selulase, pada T = 30 o C dan ph 5 selama 168 jam = 7 hari.

13 Peneliti/Judul direndam dalam 2,5% NaOH dan 0,006 larutan H 2 O Devi M. Charita dan Kumar M. Sunil, 2012 / Production optimization and partial purification of cellulose by Aspergillus Niger fermented with paper and timber sawmill industrial wastes Kertas dan limbah industry kayu (serbuk kayu) Fisik : dicuci, kedua substrat masingmasing diblend dengan mixer dan dikeringkan. Aspergillus Niger Untuk mendapatkan titik optimum aktivitas enzim selulase ini memvariasikan suhu (30-50 o C), ph (3-8), waktu fermetasi (2-8 hari), dan didapat : -waktu optimum adalah 7 hari untuk kedua substrat -ph optimum 4,5 untuk kedua substrat -suhu optimum 45 o C untuk kedua substrat 12.Pradnya Deshpande dkk, 2012 / Water Hyacinth as Carbon Source for the Production of Cellulase by Trichoderma Eceng gondok Fisik : steam Kimia : direndam dalam NaOH (1-5%), H 2 PO 4 Trichoderma Reesei Penelitian ini memvariasikan ph (4,5 8), konsentrasi NaOH pada praperlakuan (1-5%), suhu fermentasi (25-50 o C), konsentrasi substrat (1-8% w/v). Hasil terbaik dicapai pada praperlakuan substrat dengan 1%

14 Peneliti/Judul Reesei 13. Heba I dkk, 2012 / Purification and characterization of CMCase and Protease by Ulocladium botrytis Preuss ATCC using Water Hyacinth as a substrate under solid state fermentation Eceng gondok Tidak ada keterangan praperlakuan 12 strain fungi : Aspergillus candidus, A. flavus A.Niger A. Terreus A. Ustus Fusarium scirbi Penicillium chrysogenum P. citrinum P. claviforme P. velutinum Trichoderma viridee Ulocladium botrytis NaOH, ph 5 dan diatasnya, temperature inkubasi 30 o C, konsentrasi substrat 1% (w/v), dan waktu inokulasi hari ke 7 dan ke 15. Perolehan maksimal aktivitas selulase ±73,3 IU/g. Aktivitas spesifik enzim 6.25 IU/mg protein. Pada hidrolisis glukosa menggunakan 1,2 IU/g dapat mensakarifikasi 28,7 % dalam 1 jam Selain memvariasikan fungi, ini juga memvariasikan sumber nitrogen, ph (3,6-5,2), suhu (20-70 o C), konsentrasi substrat (0,4-1,6% w/v) Hasil terbaik dicapai oleh fungi Ulocladium botrytis, dengan sumber nitrogen dari yeast dan malt extract, ph 5,2, optimum temperatur inkubasi pada 60 o C, dan konsentrasi substrat 1,2% w/v. Perolehan aktivitas spesifik enzim selulase 852,11 U/mg

15 Peneliti/Judul