mikroba, dari habitat ke industri

VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008

Yulneriwarni 13

MIKROBA, DARI HABITAT KE INDUSTRI*

YulneriwarniFakultas Biologi Universitas Nasional

ABSTRAK

Dalam biologi industri, mikroba mempunyai peranan yang sangat besar dalammenghasilkan berbagai macam produk. Jenis dan jumlah mikroba yang bersifatmenguntungkan ini juga tersedia secara melimpah di alam, yang masih perlu digalidan dikembangkan dalam industri. Mikroba tersebut dapat ditemukan mulai dari dasarsamudra sampai kepuncak gunung dan dapat hidup pada berbagai macam habitat,termasuk pada lingkungan yang ekstrim. Persiapan dalam mengeksploirasi mikrobadari habitat, agar dapat diaplikasikan dalam industri dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut: Menentukan jenis produk yang akan dihasilkan; Mengetahuikelompok mikroba yang dapat digunakan; Mempelajari jalur biosintesis produk;Menentukan medium untuk pertumbuhan mikroba dan substrat yang bisa digunakandalam menghasilkan produk yang diinginkan; Isolasi mikroba; Seleksi mikroba;Karakterisasi dan identifikasi; Pemeliharaan kultur;; Propagasi kultur dan pembuatanstarter; Fermentasi; Scale up; Pengembangan mutan jika diperlukan; Aplikasi dalamIndustri.

Kata Kunci : mikroba, habitat, industri

PERAN MIKROBA DALAMINDUSTRI

Mikroba dengan ukuranmikroskopis, jenis dan sifat fisiologis yangbervariasi, menem-pati habitat di alamtanpa batas ruang. Dengan kata lainmikroba dapat ditemukan dimana saja,yakni di tanaman, hewan, manusia, air,tanah, udara, limbah dan sebagai-nya.Dalam biologi industri mikroba merupakanpabrik molekuler, yang mampumemproduksi ribuan macam produk yangdapat dimanfaatkan manusia.

Dewasa ini, aplikasi mikroba dalamindustri terus berkembang baik di bidangkimia, pangan, tekstil, kertas, pertanian

ataupun lingkungan dan lain sebagainya(tabel 1). Sementara di alam, mikroba yangbersifat mengun-tungkan ini, merupakanharta kekayaan yang masih banyaktersembunyi dan tak kan pernah habisuntuk digali dan dikembangkan.

MENGGALI POTENSI MIKROBADARI ALAM

Pemanfaatan aktivitas mikroba dalamindustri, perlu mempertim-bangkanbeberapa hal sebagai :1. Jenis produk yang akan dihasilkan:

biomasa, enzim, pangan, metabolit.

* Makalah disampaikan dalam Simposium Biologi Industri, Fakultas BiologiUniversitas Nasional pada tanggal 11 November 2008 di Jakarta.

ISSN 1978-9513


Yulneriwarni 14

2. Kelompok mikroba yang dapatdigunakan.- Mikroba : kapang, khamir, bakteri,

dan alga- Fisiologis: aerob, anaerob, anaerob

fakultatif, mesofilik, termofilik,kebutuhan nutrien dan lain-lain

- Kelompok mikroba yang akandigunakan berkaitan dengan habitatatau sumber isolat mikroba ataupundengan prosedur selanjutnya dalamfermentasi.

3. Jalur biosintesis produk: jalur sintesisakan menentukan sistem dan kondisifermentasi yang akan dilakukan.

4. Medium untuk pertumbuhan mikrobaatau substrat yang dapat digunakan.Medium pertum-buhan akan sangatmenentukan keberhasilan proses isolasidan pemeliharaan biakan mikroba.Sedangkan jenis dan keterse-diaansubstrat akan menentukan keberhasilanproses fermentasi dan kelangsunganproses produksi.

Langkah-langkah yang perlu dilaku-kan dalam menggali potensi mikroba darialam, antara lain adalah:1. Isolasi mikroba2. Seleksi mikroba3. Karakterisasi dan Identifikasi4. Pemeliharaan kultur5. Propagasi kultur6. Pembuatan starter7. Fermentasi8. Scale up9. Pengembangan mutan jika diperlukan10. Aplikasi dalam Industri

Isolasi Mikroba

Cara untuk mendapatkan biakanmurni disebut isolasi. Isolasi merupakansalah satu tahapan yang sangat pentingdalam Industri. Isolat yang diperoleh danbersifat unggul akan digunakan untukmemproduksi senyawa yang bernilai

ekonmis. Mikroba dapat diisolasi darialam: sayur, buah-buahan (segar ataubusuk) tanaman, hewan tanah, lumpurdanau atau sungai, limbah dan sebagainya.Namun untuk mendapatkan isolat yanglebih spesifik, isolasi dilakukan darilingkungan khusus atau kondisi lingkunganyang ekstrim, seperti mikroba temofilikdapat diisolasi dari lingkungan air panas.

Isolasi mikroba dapat diaku-kandengan cawan gores (penipisan Koch) ataucawan tuang (sistem pengenceran).Sumber mikroba diberi perlakuan yangdapat me-rangsang pertumbuhan mikrobakhusus yang diinginkan dan sekaligusmenghambat pertumbuhan mikroba yangtidak diinginkan atau mikroba ditumbuh-kan dalam medium yang bersifat selektif.Untuk mendapatkan kelompok mikrobakhusus digunakan media yang diberitambahan nutrisi khusus yang sesuaidengan habitat alami, yang disebut denganmedia diperkaya.

Mikroba yang berhasil diisolasiharus dimurnikan berulang kali, sehinggakoloni yang tubuh dapat dipastikan berasaldari satu sel. Karena tidak semua mikrobamampu membentuk mikrokoloni yangterpisah secara sempurna. Selanjutnyabiakan murni dipin-dahkan secara sterilpada perbenihan baru dan disebut sebagaiisolat.

Seleksi mikroba

Dari sejumlah isolat yang didapat,perlu dilakukan seleksi untuk memilihisolat terbaik atau unggul dalam produksi.Seleksi yang dilakukan hendaklah bersifatcepat, sensitif, murah dan mudah. Isolatterpilih akan menentukan keberhasilanproses industri fermentasi. Sifat-sifat yangharus dimiliki isolat terpilih adalah

a. Murni, bebas dari segala kontaminanb. Dapat tumbuh dengan subur, fase

adaptasi singkat atau tidak ada


Yulneriwarni 15

c. Dapat menghasilkan produk yangdiinginkan (aktivitas spesifik)

d. Mampu menghasilkan produk yangdiinginkan dengan konsentrasi tinggidalam waktu singkat

e. Mudah disimpan dan dipeliharadalam jangka waktu lama

Tabel 1. Contoh aplikasi mikroba dalam industri (Atlas dan Bartha, 1981;Zahner, 1987; Dordick, 1991 dan Ray 2004)

Industri Mikroba Produk

Kimia Clostridium Isopropanol, aseton, butanol(pelarut)

Bacillus As. akrilat (bahan pembuat plastk)Bacillus subtilis Subtilisin (bahan detergen)Xanthomonas campestris Xantan (pengental)Methanobacterium MetanMicrococcus luteus Hidrokarbon (petroleum)Magnetospirilium magneticum Mineral (biomineralisasi)

Pangan Acetobacter aceti Asam cukaBrevibacterium As. amino (Alanin, triptofan,

as.glutamat)Propionobacterim Vitamin ( Cyanocobalamin)B. amyuloliquifaciens Enzim ( amilase dan

glukosidase)Pertanian Gibberella fujikuroi Hormon tumbuhan (Giberelin)

Bacillus thuringiensis InsektisidaRhizobium leguminosorum Biofertilizer

Kesehatan Bacillus brevis Antibiotik ( Gramisidin, Tirosidin)Bacillus polimyxa Antibiotik (Polimiksin B)Pseudomonas sp Dospatin ( menurunkan tekanan

darah)Pertambangan Thiobacillus ferrooxidans Tembaga, uranium, seng, timah

hitam, emas, cobalt, nickelLeptospirilium ferrooxidansEnzim Trichoderma viride,

Penicillium funiculosumSelulase

Aspergilus ochraceus,B. subtilis

Xylanase

B. subtilis, B. licheniformis Protease

Karakterisasi dan Identifikasi

Karakterisasi atau penentuan sifatfisiologis mikroba, merupakan dasar dalamidentifikasi mikroba secara sistematik.Selain itu pengetahuan tentang sifat

fisologis isolat juga diperlukan dalamkemudahan proses pemeliharaan danoptimisasi proses fermentasi. Beberapakarakter yang perlu diketahui dari isolat,antara lain adalah;a. Morfologi dan struktur sel (spora,

flagel)


Yulneriwarni 16

b. Sifat Gramc. Morfologi koloni pada media padatd. Sifat petumbuhan pada medium caire. Kebutuhan oksigenf. Kebutuhan energi dan nutrieng. Suhu dan pH optimal untuk pertum-

buhanh. Kurva pertumbuhan

Selanjutnya identifikasi isolat dapatdilakukan dengan berbagai cara, antara lainber-dasarkan:a. Reaksi enzimatik/tes biokimia:

fermentasi gula, TSIA, Indol, Metil-red, Vouges Pros kauer, Citrat,Urease, katalase, oksidase dansebagainya

b. Tes serologi: yakni reaksi antigendengan antibodi

c. Sifat genetik: yakni dengan menen-tukan komposisi basa, urutan basanukleotida dan hibridisasi DNA

d. Urutan asam amino: urusan asamamino yang menyusun protein adalahspesifik, karena merupakan merupa-kan refleksi dari urutan basa DNA,dan lain-lain.

Pemeliharaan Kultur

Pemeliharaan kultur bertujuanuntuk mencegah kontaminasi dan perubah-an genetik serta untuk mempertahankantingkat aktivitas dan viabilitas sel sertamutu genetik. Oleh karena itu, tahap inimerupakan tahap yang paling menentukankelangsungan industri. Bila tidak diper-tahankan, maka mutu dan jumlah produksiakhir juga tidak bisa dipertahankan.Mikroba mudah sekali mengalami mutasisecara spontan, sehingga mutu genetikkultur relatif sulit dipertahankan dan dapatmenyebab-kan penurunan kemampuandalam menghasilkan metabolit.

Dalam industri fermentasi terdapatdua katagori kultur, yaitu:

1. Kultur induk, adalah kultur yangdigunakan sebagai stock, dipeliharadengan sangat teliti dan hati-hati,diperbaharui paling banyak sekali duatahun. Setiap kali diperbaharui biakanberpeluang untuk mengalami kontami-nasi atau mutasi sehingga mutu strainperlu diperiksa kembali. Kultur initidak pernah dipergunakan untukkeperluan rutin atau sebagai starter.

2. Kultur kerja, yaitu kultur yang dibiakandari kultur induk. Kultur digunakansebagai inokulum dalam prosesfermentasi selanjutnya, diperba-haruidan dibiakan / diperbanyak secaraperiodik. kultur ini harus diperiksapada setiap kali diperbaharui dandigunakan

Penyimpanan mikroba dalamlaboratorium dapat dilakukan untuk jangkapendek ataupun jangka panjang. Penyim-panan jangka pendek mikroba dilakukandengan memindahkan secara berkalajangka pendek misalnya sebulan sekali darimedia lama ke media baru. Beberapa carapenyimpanan jangka pendek antara lainadalah penyimpanan dalam medium agar,minyak mineral, parafin cair, tanah steril,air steril, manik-manik porselin. Penyim-panan jangka pendek hanya dilakukanuntuk penyimpanan kultur kerja. Sedang-kan penyimpanan jangka panjang ditujukanuntuk menyimpan kultur induk. Metodepenyimpanan jangka panjang yang palingefektif dan banyak dilakukan ialah metodeliofilisasi atau kering beku (freeze drying)dan kriopreservasi (cryopreservation).

Propagasi Kultur dan PembuatanStarter

Propagasi kultur bertujuan untukmendapatkan inokulum yang sehat danaktif serta tersedia dalam jumlahmencukupi. Inokulum yang berupa kulturkerja tidak dapat langsung digunakan untuk


Yulneriwarni 17

fermen-tasi, sebelumnya perlu dipropagasi:yaitu menumbuhkan kembali agar didapatinokulum yang kaya dengan sel vegetatif.Selanjutnya dapat langsung digunakansebagai starter pada skala lab / pilot-plan,tapi harus dibiakan kembali (sekali/beberapa kali) untuk skala industri

Fermentasi dalam kapasitas besarmemerlukan inokulum yang cukup banyak.Biasanya inokulum hasil propagasi tidakmencukupi sehingga perlu dibiakankembali untuk mencapai jumlah yangdiinginkan. Inokulum yang siap di-inokulasikan ke fermentor disebut denganstarter (biakan aktif). Starter biasanyadibuat dalam fermentor kecil dengankondisi medium terkendali menyerupaifermentor besar.

Fermentasi

Fermentasi adalah suatu prosesuntuk menghasilkan produk denganmelibatkan aktivitas mikroba secaraterkontrol, baik dalam kondisi aerobmaupun anaerob. Fermentasi dilakukandalam fermentor yang berisi mediumdengan kandungan nutrien yang cukup dankondisi medium yang optimal untukpertumbuhan dan sintesis produk yangdiinginkan, baik suhu, pH, aerasi maupunhomogenitas. Selanjutnya fermentordihubungkan dengan monitor untukmengatur parameter-parameter yang terkaitdengan proses fermentasi. Prosesfermentasi dapat dilakukan dengan sistembatch, fed-batch, continuous dan semi-batch, ter-gantung pada substrat yangdigunakan dan produk atau metabolit yangdiinginkan.

Fermentasi dilakukan dalam skalalaboratorium, skala pilot plan dan skalaindustri. Fermentasi skala laboratoriumdigunakan untuk uji coba kemampuanmikroba atau untuk penelitian yang terkaitdengan peningkatan produksi olehmikroba. Fermentasi skala pilot plan

digunakan untuk mendisain prosesfermentasi yang akan diterapkan dalamindustri. Sedangkan fermentasi skalaindustri adalah untuk memproduksi produkdalam jumlah maksimal hingga dapatdigunakan oleh konsumen.

Prosedur perpindahan fermentasidari skala laboratorium ke skala industridisebut juga dengan scale-up ataupeningkatan proses. Scale-up perludilakukan karena selama fermentasi terjadiperubahan lingkungan internal fermentor,yang dapat mem-pengaruhi aktivitas danproduk-tivitas mikroba. Pada fermentasiskala laboratorium digunakan fermentorgelas 1-5 liter, skala pilot plan 300 - 3000liter dan pada tahap industri digunakanfermentor 10.000 – 400.000 liter.

Pengembangan Mutan

Mikroba yang berperan dalamindustri perlu ditingkatkan aktivitasmetabolismenya, sebab isolat alami hanyamampu menghasilkan produk dalamjumlah sedikit. Pengembangan mutan dapatdilakukan dengan transformasi lisogeni,rekombinasi dan pem-buatan mutanauxotrof.

Sifat-sifat mutan yang diinginkanadalah: waktu fermen-tasi lebih singkat,tidak mem-produksi senyawa yang tidakdiinginkan, dapat menggunakan substratyang lebih murah, mampu menghasilkanproduk dalam jumlah tinggi dan lainsebagainya.

Perubahan setelah mutasi dapatberupa: perubahan sumber karbon dansumber nitrogen; perubahan kebutuhanakan faktor pertumbuhan (auksotrof)misalnya asam amino dan vitamin;perubahan ketahanan terhadap senyawaantimikroba, antimetabolit dan end productinhibition; serta perubahan kemampuandalam mensintesis komponen sel dan lain-lain


Yulneriwarni 18

Selanjutnya mikroba dengan sifat-sifat yang menguntungkan tersebutdigunakan dalam industri, untukmenghasilkan produk yang berkualitasdalam jumlah maksimal.

DAFTAR PUSTAKA

Atlas RM dan Bartha R. Microbial EcologyFundamental and Applications.Addison-Wesley, London. 1981

Dordick JS (ed). Biocatalysts For Industry,Plenum Press, London. 1991.

Prave P, Faust U, Sittig W dan SukatschDA. Fundamentals of Biotechnology,VCH, Weinheim. 1987

Ray B. Fundamental Food Microbiology,CRC Press, London. 2004.

Zahner H. Antibiotics and other secondarymetabolites. Dalam: Fundamentalls ofBiotechnology. Prave P, Faust U,Sittig W dan Sukatsch DA (Eds).VCH, Weinheim. 1987.

mikroba, dari habitat ke industri

Documents