TUGAS

BIOKONVERSI KARBOHIDRAT

Produksi Asam Laktat dari Bahan Terbarukan

Oleh

DANIEL

NIM : 23013006

(Program Studi Magister Teknik Kimia)

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

MEI 2014

1

Pendahuluan

Asam laktat (2-hidroksipropanoat) merupakan asam organik alami yang banyak

dimanfaatkan dalam berbagai industri. Permintaan terhadap asam laktat secara global

semakin meningkat dikarenakan perannya sebagai bahan baku pembuatan biopolimer poly-

asam laktat (PLA). PLA bersifat dapat didegradasi oleh alam dan ramah lingkungan

dibandingkan plastik petrokimia. Sifat fisik PLA tergantung dari komposisi isomer L dan D

asam laktat yang mempengaruhi sifat fisik dan kemampuan penguraian PLA.

Permintaan asam laktat yang semakin meningkat namun biaya bahan baku seperti pati dan

gula murni yang tinggi menjadi masalah. Bahan baku yang murah merupakan hal yang

penting dalam proses bioteknologi dari asam laktat dikarenakan produser polimer dan juga

konsumen seringkali membutuhkan asam laktat dalam jumlah yang besar dengan harga yang

murah. Penggunaan bahan baku murah non pangan merupakan hal yang memiliki potensi

besar karena tidak berdampak terhadap rantai makanan manusia. Saat ini material

lignoselulosa dari bidang pertanian, kehutanan menyediakan sumber karbohidrat murah untuk

proses fermentasi asam laktat dalam skala besar.

Asam laktat dapat diproduksi baik dengan sintesis secara kimia maupun fermentasi

mikrobiologi. Fermentasi memberikan beberapa keuntungan dalam kaitannya dengan

penggunaan biomassa terbarukan berupa karbohidrat, temperatur operasi yang rendah,

konsumsi energi yang rendah, dan memungkinkan memproduksi asam laktat murni

tergantung dari jenis bakteri/jamur yang digunakan. Fermentasi secara biologis dapat

dilakukan dengan jamur ataupun bakteri asam laktat (LAB)

Pemilihan jamur/ LAB dalam menghasilkan asam laktat pada dasarnya memiliki keuntungan

dan kerugian masing-masing namun kondisi operasi seperti temperatur yang tidak terlalu

tinggi, dengan pH yang tidak terlalu rendah, dan nutrisi yang seminimal mungkin merupakan

faktor yang cenderung dipilih dengan tinjauan biaya produksi yang lebih murah.

Lignoselulosa

Lignoselulosa merupakan biomassa yang keberadaanya melimpah di alam dan jarang

dimanfaatkan. Lignoselulosa pada dasarnya terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan lignin.

Selulosa merupakan -D-Glukan rantai lurus sedangkan hemiseluosa merupakan

heteropolysakarida dan hidrolisat mencakup xylosa, glukosa, manosa, galaktosa, dan

arabinosa yang tergantung dari sumber lignoselulosanya. Lignin merupakan stuktur

2

polyfenolat kompleks yang membentuk hampir 90% dry matter, termasuk sedikit mineral,

minyak dan komponen lain. Biomassa ini mencakup sampah hutan dan pertanian dan limbah

kertas.

Proses Produksi Asam Laktat

Asam laktat biasanya dihasilkan melalui hidrolisis enzimatik dan fermentasi. Proses produksi

asam laktat tidak dapat dilangsungkan hanya dengan proses fermentasi dikarenakan

keberadaan lignin dalam jumlah besar dan ketidakmampuan enzim hidrolitik yang dihasilkan

bakteri/jamur dalam mendekomposisi lignin.

- Hidrolisis dan Fermentasi Terpisah (SHF)

Hidrolisis dan fermentasi terpisah merupakan salah satu metode dalam memproduksi

asam laktat, proses ini memisahkan tahap hidrolisis enzimatik dan fermentasi.

Keuntungan utama proses ini adalah kemampuan pengontrolan setiap tahap pada kondisi

optimalnya untuk setiap proses. Kerugian proses ini adalah pengumpanan kembali

inhibisi dari gula tersakarifikasi seperti glukosa, xylosa, selobiosa, dan oligosakarida

lainnya akibat aktivitas enzim hidrolitik selama proses hidrolisis yang menuntut beban

yang lebih rendah terhadap biomassa lignoselulosa dan beban yang tinggi terhadap

enzim pirolitik untuk mencapai yield yang tinggi.

- Sakarifikasi dan Fermentasi Simultan (SSF)

Sakarifikasi dan fermentasi simultan (SSF) merupakan metode lain dalam menghasilkan

asam laktat selain SHF. SSF menawarkan biokonversi karbohidrat bahan mentah

menjadi asam laktat secara efektif dengan menggabungkan hidrolisis enzim dan

fermentasi mikrobiologi produk turunan gula melalui satu tahap. Keuntungan mendasar

SSF dibandingkan SHF adalah mengurangi inhibisi yang terjadi akibat akumulasi

mono/disakarida, meningkatkan laju sakarifikasi, meningkatkan produktifitas,

mengurangi ukuran reaktor, mengurangi biaya, dan mengurangi beban enzim. Kerugian

penggunaan SSF adalah perbedaan kondisi kultivasi seperti temperatur dan pH yang

dibutuhkan untuk sakarifikasi dan fermentasi sehingga karakterisasi LAB/jamur,

kinetika biokimia, dan penentuan kondisi proses optimal merupakan hal yang penting

dalam meningkatkan produksi asam laktat.

Parameter Fermentasi

Penelitian yang ada menunjukan bahwa pH, temperatur, dan sumber bahan baku

mempengaruhi karakteristik kinetika, hidrolisis, akumulasi gula tereduksi, produksi asam

3

laktat, dan pembentukan biomassa. Parameter-parameter seperti pH, temperatur, nutrisi,

asupan oksigen, agen netralisasi merupakan parameter yang penting dalam menghasilkan

asam laktat secara optimum.

- Nutrisi

Nutrisi merupakan senyawa penting yang dibutuhkan dalam setiap proses fermentasi

baik jamur ataupun LAB. Asupan karbon, nitrogen, fosfat, sulfur, dan gram lain

merupakan sesuatu yang vital untuk mempertahankan pertumbuhan mikroorganisme dan

pembentukan produk. Secara umum spesies Rhizopus membutuhkan jumlah nutrisi yang

relatif sedikit dibandingkan dengan bakteri dan hanya membutuhkan sedikit senyawa

garam anorganik untuk mencapai performa fermentasi yang baik.

Nitrogen merupakan salah satu unsur yang dibutuhkan untuk mensintesis asam amino,

purin, pirimidin, asam karboksilat dan lemak, kofaktor enzin, dan senyawa lain. Sumber

nitrogen dapat berasal dari garam unorganik, seperti amonium sulfat, amonium nitrat,

senyawa organik, seperti pepton, dan yeast extract. Ammonium sulfat merupakan

sumber nitrogen yang secara luas digunakan saat ini. Konsentrasi ammonium sulfat yang

digunakan dalam fermentasi spesies Rhizopus berada pada rentang 1,0-4,0 g/L.

Penggunaan ammonium sulfat lebih cocok dibandingkan ammonium nitrat, pepton, dan

yeast extract dalam memproduksi asam laktat. Penelitian yang ada menunjukan bahwa

perbandingan C/N yang rendah dapat menghasilkan yield asam laktat yang tinggi,

etanol, dan biomassa, namun dengan yield produk samping berupa asam fumarat yang

rendah. C/N yang rendah juga dapat mempersingkat waktu fermentasi.

Garam anorganik yang digunakan sebagai nutrisi dalam fermentasi biasanya berupa

KH2PO4, MgSO4, ZnSO4, dan Fe2(SO4)3. Pada umumnya kandungan garam anorganik

berada pada rentang 0,01-0,75 tergantung dari garam yang digunakan. Peran garam

anorganik sangat penting dalam pertumbuhan spora Rhizopus, dimana kekurangan akan

fosfat biasany dalam bentuk KH2PO4 akan mengakibatkan kegagalan perkembangan

spora dalam tahap germinasi.

- Morfologi

Morfologi juga merupakan faktor yang penting dalam proses fermentasi dimana

morfologi berdampak terhadap uptake terhadap nutrisi dan oksigen pada kultur.

Morfologi yang baik dalam memproduksi asam laktat khususnya menggunakan spesies

Rhizopus adalah bentuk pellet kecil yang terbentuk dari hasil parameter kompleks yang

4

terjadi pada sistem fermenatsi. Manipulasi terhadap kondisi kultivasi penting dalam

meningkatkan proses dan strategi yang menghasilkan bentuk yang cocok untuk produksi

asam laktat. Beberapa modifikasi morfologi jamur pada berbagai reaktor seperti reaktor

air-lift (ALR), reaktor tangki berpengaduk ideal (RTI), dan reaktor bubble column

(BCR). Beberapa morfologi spesies Rhizopus dalam memproduksi asam laktat

ditampilkan dalam tabel 1.

Tabel 1. Produksi Asam Laktat dengan Morfologi Jamur yang Berbeda

- pH

pH merupakan salah satu parameter operasional yang paling penting yang

mempengaruhi produksi asam laktat. pH yang baik dalam proses fermentasi jamur

berada pada rentang 5,0-6,0 sedangkan pada LAB pada rentang 5,0-7,0. Penelitian yang

ada menunjukan bahwa produksi asam laktat pada jamur dengan yield terbaik

berlangsung pada pH 6,0-6,5 sedangkan pH tidak mempengaruhi produksi dari asam

maltat dan fumarat sebagai produk samping.

- Agen Netralisasi

Parameter pH tidak lepas dari agen netralisasi dalam mempertahankan pH operasional

baik pada fermentasi jamur/LAB. Agen netralisasi seperti kalsium karbonat, natrium

karbinat, dan natrium hidroksida perlu ditambahkan dalam medium fermentasi.

Penelitian lanjut menunjukan bahwa kalsium karbonat dapat digantikan dengan 25%

amonia tanpa dampak negatif terhadap produksi asam laktat. Keuntungan penggunaan

amonia dibandingkan kalsium karbonat adalah menghilangkan kemungkinan

terbungkusnya agen netralisasi oleh biomassa. Penggunaan kalsium karbonat dapat

Morfologi Proses Sistem Kultivasi Yield (%) Produktivitas (g/L.h) Konsentrasi (g/L)

Cotton flocs Batch ALR 87 1,8 104,6

Cotton flocs Batch STR 86 1,7 103,6

Small

pellets

Repeated

batch

BCR 88 2,58 83

Small

pellets

Repeated

batch

ALR - 1,07 85,7

Small

pellets

Repeated

batch

STR 62-74 2,9-6,2 60

Small

pellets

Repeated

batch

STR 74,2 - 74,92

Filamentous Semikontinu STR 75,3 2,91 -

5

menghasilkan kalsium sulfat saat tahap pembentukan laktat menjadi asam laktat yang

akan menghasilkan permasalahan lingkungan dan biaya tambahan.

- Pasokan Oksigen

Fermentasi jamur dengan spesies Rhizopus merupakan proses aerobik dan pasokan

oksigen memiliki peran penting dalam produksi asam laktat. Penelitian yang ada

menunjukan bahwa pH dan DO memiliki pengaruh yang cukup penting dalam

produktivitas asam laktat. Pengaruh pH dan DO terhadap yield dan produktivitas pada

fermentasi glukosa pada reaktor rotating fibrous-bed (RFB) dengan spesies Rhizopus

ditampilkan pada tabel 2. Kondisi optimal didapatkan pada pH 5 dengan tingkat DO

sebesar 90%.

Tabel 2. Pengaruh pH dan DO terhadap Yield dan Produktivitas Fermentasi Glukosa

pada RFB pada 30oC

pH

6 5 4

20% 25% 50% 25% 90% 25% 90%

Yield (%)

Asam Laktat 52,6 66,0 63,3 49,7 82,8 38,2 58,1

Etanol 18,8 13,5 7,4 13,5 5,9 4,4 5,2

Asam Fumarat 1,6 2,9 1,7 2,7 2,0 2,4 1,95

Produktivitas (g/L.h)

Asam Laktat 0,89 0,78 1,70 0,42 2,62 0,38 0,85

Etanol 0,32 0,15 0,20 0,10 0,17 0,03 0,10

Asam Fumarat 0,037 0,035 0,06 0,30 0,09 0,015 0,22

Pada fermentasi menggunakan LAB, fermentasi berlangsung secara anaerob/tidak

membutuhkan oksigen selain itu beberapa jenis bakteri asam laktat bersifat anaerob

aerotoleran atau masih dapat hidup dengan keberadaan oksigen sehingga pasokan

oksigen tidak diperlukan.

- Temperatur

Temperatur juga merupakan parameter operasi yang penting yang mempengaruhi

produksi asam laktat. Temperatur fermentasi jamur berada pada rentang 27-35oC dimana

konsentrasi asam laktat tertinggi didapatan pada temperatur 30oC disaat produksi

biomassa berkurang dengan kenaikan temperatur. Sedangkan pada fermentasi

menggunakan LAB fermetasi biasanya dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi

yaitu 37-43oC.

6

Sistem Bioreaktor dan Scale Up

Sistem bioreaktor yang dapat digunakan dalam fermetasi jamur dapat berupa reaktor

pneumatik (bubble column, concentric draught tube, dan external loop) dan tangki

berpengaduk ideal (STR). Sedangkan pada fermentasu LAB pada uumnya reaktor yang

digunakan adalah jenis STR. Reaktor pneumatik memiliki keuntungan dibandingkan STR

dengan karean konsruksinya yang sederhana, konsumi energi yang rendah, dan perpindahan

massa, momentum, dan panas yang tinggi. Reaktor pneumatik telah dibuktikan cocok untuk

kultivasi jamur berfilamen dengan kandungan oksigen terlarut yang tinggi dan sensitif

terhadap pergeseran dan proses seperti produksi protein biomassa mikroba. Lebih jauh lagi

memungkinkan untuk melakukan proses fermentasi dimana kandungan oksigen dibutuhkan

dengan konsentrasi tinggi pada reaktor pneumatik skala besar pada laju aerasi rendah,

dikarenakan effisiensi aerasi akan meningkat seiring dengan peningkatan ukuran vessel.

Mekanisme Produksi Asam Laktat oleh Spesies Rhizopus

Asam organik yang dihasilkan oleh spesies Rhizopus adalah proses aerobik. Jenis spesies

Rhizopus dapat dibedakan menjadi 2 grup, yaitu penghasil asam laktat dan asam fumarat

(asam malat). Klasifikasi tersebut didasarkan atas yield asam organik utama dan komposisi

metabolit yang dihasilkan. Jalur reaksi pembentukan asam organik dan etanol pada

fermentasi Rhizopus dari glukosa ditampilkan dalam Gambar 1. Skema ini mencakup

biosintesis L-asam laktat, L-asam malat, asam fumarat, dan etanol dengan piruvat yang

dihasilkan pada pertengahan reaksi yang menuntun terhadap pembentukan asam organik dan

produk samping. Beberapa enzim kunci seperti piruvat dekarboksilasi (PDC), piruvat

karboksilasi (PC), alkohol dehidrogenasi (ADH), laktat dehidrogenasi (LDH), malat

dehidrogenasi (MDH), dan fumarase dibutuhkan dalam menghasilkna matabolit. Enzim ini

memainkan peran kunci dalam mengarahkan reaksi biokimia dan menentukan yield produk

terbesar dan komposisi produk akhir.

7

Gambar 1. Metabolisme Glukosa Rhizopus

Mekanisme Produksi Asam Laktat oleh LAB

Produski asam laktat oleh LAB dapat dilakukan melalui 2 mekanisme tergantung berdasarkan

jenis bakteri. Mekanisme PK dan PP/glikolik. Mekanisme PK merupakan yang digunakan

oleh sebagian besar LAB dimana xylulosa 5-P (C5) pecah menjadi GAP dan asetil-P. GAP

kemudian akan dionversikan menjadi asam piruvat dan kemudian asam laktat (C3) sebagai

produk akhir, sedangkan asetil-P dimetabolismen untuk mensintesis asam asetat dan etanol.

Sebagai hasilnya yield teoritis pentosa terhadap asam laktat adalah 0,6 g/g atau 1,0 mol/mol

melalui mekanisme PK. Sedangkan sebagian bakteri lain menghasilkan asam laktat melalui

mekanisme PP dimana mekanisme ini menghasilkan 5 mol asam laktat dari 3 mol pentosa

tanap kehilangan karbon sehingga memberikan yield teoritis asam laktat terhadap pentosa

sebesar 1,0 g/g atau 1,67 mol/mol. Oleh sebab itu untuk menigkatkan yield asam laktat

mekanisme PP lebih berpotensi dibandingkan PK. Mekanisme PK dan PP ditampilkan dalam

Gambar 2.

8

Gambar 2. Mekanisme PK dan PP/Glilokic LAB

Spesies Rhizopus menunjukan beberapa keuntungan dibandingkan LAB dalam mengkonversi

karbohidrat menjadi asam laktat. Keuntungan tersebut mencakup karakteristik amilolitik,

kebutuhan nutrisi, temperatur yang rendah, biaya yang rendah dalam memisahkan biomassa,

biomassa jamur yang dapat digunakan proses biosorpsi dalam pemurnian terhadap

kontaminan, dan sebagai bahan tambahan pakan ternak. Banyak sumber terbarukan dapat

dikonversi menjadi asam laktat menggunakan spesies Rhizopus, namun banyak penelitian

yang menunjukan bahwa produktivitas asam laktat masih terbatas . Optimasi terhadap

9

parameter proses seperti pH dan pasokan oksigen dan pengaturan terhadap morfologi dapat

menghasilkan peningkatan terhadap performa spesies Rhizopus dalam menghasilkan asam

laktat.

Sumber :

Rahman M.A.A; Tashiro Y.; Sonomoto K., 2011. Lactic acid production from lignocellulose-

derived sugar using lactic acid bacteria:Overview and limits. Journal of

Biotechnology, 156, 286-301.

Zhang Z.Y.; Jin B.; Kelly J.M., 2007. Production of lactic acid from renewable materials by

Rhizopus fungi:a review. Biochemical Engineering Journal, 35, 251-261.