Buletin AgroB/o (dahulu bernama Buletin Penelitian) memuat artikel tinjauan ilmiah hasilriset dalam bidang biologi dan bioteknologi tanaman. Naskah (boleh ditulis dalam bahasaIndonesia atau Inggris) yang diajukan untuk diterbitkan hendaknya belum pemah dipublikasikanpada media cetak manapun dan ditulis sesuai dengan "Pedoman Bagi Penulis" (lihat sampulbelakang bagian dalam). Dewan Redaksi berhak menyunting naskah tanpa mengubah isi danmakna tulisan atau menolak menerbitkan suatu naskah.

Naskah dapat bersifat tinjauan ilmiah (kritis) atau tinjauan informatif (anotasi) terhadap subjektertentu, atau gabungan antara keduanya. Tinjauan ilmiah merupakan hasil evaluasi, sintesis,dan analisis kritis tentang riset bagi kepentingan ilmu pengetahuan dan teknologi, sedangkantinjauan informatif merupakan hasil evaluasi bagi kepentingan pengguna.

Isi naskah dapat membahas salah satu dari butir-butir berikut, yaitu: (a) status riset pada subjektertentu, baik yang telah, sedang, maupun yang akan dikerjakan, (b) pengungkapan masalahdan pemecahannya, (c) pengembangan suatu metode atau konsepsi, dan (d) gagasan danpendekatan yang dapat dijadikan landasan bagi suatu usulan riset. Sumber bacaan seyogyanyameliputi bahan pustaka terbitan dalam dan luar negeri yang terkini dan relevan.

Penanggung Jawab

Djoko S. Damardjati

Kepala Balai PenelitianBioteknologi Tanaman Pangan

Redaktur Teknis

Novianti Sunarlim

Sutrisno

Ida Hanarida Somantri

Sri Widowati

Redaktur Pelaksana

Suyono

Ida N. Orbani

Penerbit

Balai Penelitian Bioteknologi Tanaman PanganBadan Penelitian dan Pengembangan Pertanian

Departemen Pertanian

Alamat Penerbit

Jalan Tentara Pelajar 3A, Bogor 16111, Indonesia

E-mail: borif@indo.net.id & rifcb@indo.net.id

Telepon: (0251) 339793^ 337975

Faksimile: (0251) 33882o

Kala Terbit

Dua nomor per volume

JURNAL TINJAUAN ILMIAH RISET B1OLOGI DAN BIOTEKNOLOGI PERTANIAN

VOL. 2, NO. 2, 1999BioBULETINA

dalam bidang farmasetika, seperti

antibiotik (Cannell dan Walker,1986; Cannell et al., 1988a; 1988b;Kellam dan Walker, 1989), toksin(Lincoln et al., 1991; Metting danPyne, 1986), antitumor, hypocholesterolemic effects dan antivirus,terutama virus HIV-1 (Kun, 1994).

Semakin meningkatnya tuntutankebutuhan terhadap produk-produk tersebut di pasar dunia, meng-

akibatkan sistem kultivasi sel mikroalga semakin banyak diminatidan dipelajari.

Sejumlah industri mulai me-ngembangkan sistem fermentasi

heterotrofik, dengan melibatkanberbagai teknik peningkatan pro-duktivitas dan efisiensi produksi.Kultivasi sel yang semula dilang-sungkan dalam skala besar dengansistem outdoor pada kolam-kolam,

mulai dialihkan dengan menggu-nakan bioreaktor-bioreaktor, baikbioreaktor tertutup (enclosed biore-actor) maupun bioreaktor tembuscahaya (photobioreactor) (Kun,1990; Trevan dan Mak, 1988).

Imobilisasi sel merupakan sa-lah satu teknologi yang dewasa inibanyak diterapkan dalam industrifermentasi (bioproses) karena me-

tniliki beberapa kelebihan. Pene-rapan teknik imobilisasi sel dapatmeningkatkan produktivitas danefisiensi produksi. Keuntungan

penggunaan sel hidup yang diimo-bilkan dalam proses biokatalitik/bioproses, di antaranya adalah (1)Mempermudah proses pemisahanbiokatalis dari produknya, (2) Me-mungkinkan penggunaan ulang(reuse) dari biokatalis yang ber-sangkutan, (3) Mampu memper-finggi kerapatan sel di dalam bioreaktor, dan (4) Dapat diterapkan dengan baik pada sistem bioreaktorkontinyu. Dalam tulisan ini, akan

dibahas mengenai produk-produkbermanfaat yang dihasilkan olehmikroalga, teknik imobilisasi selyang berhasil diterapkan pada sel

duksi biomassa, produksi energi,produksi berbagai produk berman-faat, bioakumulasi senyawa terten-

tu serta berbagai proses biotrans-formasi. Produk-produk yang diha-

silkan mikroalga sebagian besarbersifat ekstraselular, muled darimetabolit sederhana hingga anti-biotik kompleks, toksin, pigmenserta sejumlah produk bermanfaatlainnya (Trevan dan Mak, 1988).

Seiring dengan perkembanganbioteknologi mikroalga, saat iniperhatian mulai ditujukan untukpenghasilan produk bermanfaatyang bernilai ekonomi tinggi, di an-taranya adalah pigmen seperti fiko-biliprotein, asam amino (Mettingdan Pyne, 1986; Trevan dan Mak,1988), enzim seperti acetamidase(GresshofT, 1981), protease (Kellamdan Walker, 1987), asam aminooksidase, superoksidase dismutase

dan endonuklease restriksi (Kun,1990; Metting dan Pyne, 1986), inhibitor enzim seperti glikosidase inhibitor (Cannell et al., 1987; Cannelldan Walker, 1987) dan senyawapengatur tumbuh (plant growthregulator) (Metting dan Pyne,1986). Beberapa produk lain ter-utama yang memiliki arti penting

Mikroalga adalah mikroorganis-me fotosintetik dengan mor-

fologi sel yang bervariasi, baik uni-selular maupun multiselular(membentuk koloni kecil). Sebagi-an besar mikroalga tumbuh secara

fototrofik, meskipun tidak sedikitjenis yang mampu tumbuh secaraheterotrofik. Ganggang hijau-biruprokariotik (cyanobacteria) jugatermasuk dalam kelompok mikroalga (Trevan dan Mak, 1988). Dalam Bergey's Manual of SystematicBacteria, kelompok mikroorganis-me ini ditempatkan bersama-sama

dengan klas Oxyphotobacteria, dalam divisi Gracilicutes. Hingga saatini tidak kurang dari 30.000 jenismikroalga telah dikenal dan dipela-jari secara intensif (Metting danPyne, 1986).

Manfaat dan nilai komersialmikroalga bagi kepentingan industri telah cukup lama dikenal. Sejaktahun 1940 penelitian dan pengem-bangan secara intensif telah dilaku-kan di beberapa negara, baik dalam skala laboratorium maupun la-

pang. Mikroorganisme fotosintetikini telah dimanfaatkan dalam pro-

HakCipta©1999, Balitbio

Aspek Industri Sistem KultivasiSel Mikroalga ImobilHakim Kurniawan dan Lukman GunartoBalai Penelitian Bioteknologi Tanaman Pangan, Bogor

ABSTRACTIndustrial Aspects of System for Mass Production of Immobilized Microalgae. H.Kumiawan and L. Gunarto. Microalgae mass cultivation process has become an interesting issuethese days due to the beneficial values and industrial application of these microorganisms.Products of microalgae have been very useful to human needs in various forms, such as foodstuffs (essential fatty acids, essential amino acids, vitamins, and food colors), enzymes (proteases,phosphoglyceric kinases, amino acid oxidases, superoxide dismutases, and restrictionendonucleases) as well as pharmaceutical and therapeutically agents (antibiotics, anticancer,antiviral, toxins, inhibitory enzymes, and hypocholesterolemic effects). Currently, mass productionof microalgae is being done through heterotrophic and photoheterotrophic cultures either outdoorson ponds or indoor using both enclosed bioreactors and photobioreactors. These techniques couldbe improved by the application of biotechnology, such as use of cell immobilization technique. Thistechnique could improve productivity of the micoalgae mass production system.

Key words: Immobilized microalgae, mass production system, application in industry.

Buletin AgroS/o 2(2): 1-8

yang sangat tinggi, senyawa yangsangat jarang disintesis oleh kelompok mikroorganisme yang lain-

nya (Metting dan Pyne, 1986).

Sebagian besar senyawa antibiotik mikroalga belum teridentifi-kasi dengan jelas, namun diketahuimerupakan asam-asam lemak,asam-asam organik, bromofenol,

inhibitor fenol, lipoprotein, tanin,terpenoid, polisakarida, dan alko-hol. Campuran asam lemak yangdisebut Chlorellin (dari Chlorella),temyata memperlihatkan sifat antibakteri. Senyawa yang sama jugaditemukan pada Asterionella japo-nica dan Phaeacystis poucheii(Metting dan Pyne, 1986).

Mikroalga mensintesis steroldan nonisoprenoid. Mikroalga jugamensintesis semua asam amino

yang diperlukan untuk sintesis protein, termasuk di dalamnya D-ala-

nin, D-glutamin, dan asam-asam ^-

amino. Produksi polisakarida sulfatjuga telah dikembangkan padaskala industri, karena senyawa ter

sebut diketahui memiliki aktivitasbiologi. Program skrining terus di-lakukan guna mendapatkan isolatpenghasil produk-produk yang memiliki arti penting dalam bidangfarmasi dan pengobatan. MikroalgaSpirogyra varians, Zygnema cylin-dricum, Mesotaenium caldariorum,

dan Mougetia sp. diketahui memiliki aktivitas inhibitor enzirn a-gluko-sidase yang jarang sekali ditemukan pada jenis mikroalga lain. Isolat yang sama juga mampu menghasilkan senyawa antibakteri yangefektif terhadap Staphylococcusaureus, Escherichia coli, Aerobacter

aerogenes, Mycobacterium phlei,Micrococcus flavus, Proteus vulga-

ris, dan Pseudomonas aeruginosa

(Cannell dan Walker, 1987). Dariprogram skrining lebih lanjut ber-hasil didapatkan 41 isolat (Cannellet al., 1988a) dan 27 isolat barumikroalga (Kellam dan Walker,1989) yang memiliki aktivitas anti-

dapat mencapai 13% berat keringsel (Chen et al., 1996). Jenis lainadalah Lavendula vera penghasilpigmen biru (Yongsmith et al.,1989) serta Haematococcus lacus-

tris (Kunr 1990) dan H. pluoialis(Cordero et al., 1996) penghasil as-thaxanthin. Pigmen-pigmen terse

but merupakan pigmen alami yangdigunakan sebagai pengganti pe-warna makanan sintetik, yang diketahui sebagian besar bersifat kar-sinogenik.

Beberapa asam lemak esensialyang dihasilkan mikroalga di antaranya adalah asam y-linoleat olehS. platensis dan Ochromonas dani-ca, asam arakhidonat oleh Porphy-ridium cuentum dan O. danica serta asam eikosapentanoat oleh Mo-nodus subterraneous (Kun, 1990).

Senyawa Bioaktif

Produksi senyawa bioaktif olehmikroalga mulai dilaporkan sekitartahun 1930-an, dengan ditemukan-

nya senyawa antibiotik dan toksinmikroalga. Namun demikian, seca

ra tradisional pemanfaatan mikroalga bagi kepentingan kesehatantelah berkembang sejak tahun1500. Beberapa jenis yang telah dikenal di antaranya adalah Clado-phora glomerata sebagai obat lukabakar, Pleurococcus neeglis dan

Trentapholia iolithus sebagai obatantibakteri, Rhizoclonium rioularesebagai salep dan Nostoc untukobat kanker dan penyakit tulang(Metting dan Pyne, 1986).

Beberapa jenis metabolit, ter-masuk di dalamnya amino primerdan sekunder seperti spermidin, 2-

phenylethylamine dan tyramine pada Scenendesmus glutus, histidindan histamin pada Euglena, Scenendesmus dan Chlorella, sertaEuglena yang mensekresikan senyawa diamine dan polyamine.

Neospangiococcum saccatummampu menghasilkan 1,3-diami-no-propane dalam konsentrasi

mikroalga, dan seputar perkem-

bangan penggunaan sel mikroalgayang diimobilkan dalam industrifermentasi.

PRODUK-PRODUK BERMANFAATYANG DIHASILKAN MIKROALGA

Mikroalga diketahui mampumenghasilkan berbagai jenis pro-duk bermanfaat. Produk-produk

mikroalga bersifat unik, beberapadi antaranya tidak dijumpai padatanaman atau mikroba yang lain-nya. Secara umum, produk-produk

tersebut dapat dikelompokkanmenjadi tiga, yaitu (1) Bahan-bahan untuk pangan, (2) Senyawabioaktif, dan (3) Produk-produkbermanfaat yang lain

Bahan-bahan untuk Pangan

Kelompok mikroalga yang ba-nyak digunakan untuk tujuan iniadalah mikroalga uniselular Chlo-rella dan mikroalga filamen Spiru-lina. Nilai produksi yang dihasilkanberkisar US$ 100 per kilogram, de-ngan skala produksi 2.000 metrikton berat kering per tahun. Jepangdan Taiwan adalah negara yang te-lah mengembangkan pemanfaatan

Chlorella dan Spirulina secara ko-mersial. Produk yang dihasilkanberupa biomassa sel, yang dikenalsebagai makanan penyehat (healthfood) (Benemann etal., 1987). Produk yang dipasarkan sebagai sup-lemen gizi tersebut saat ini telahdiperjualbelikan di Indonesia da-lam bentuk tablet/pil (Sumantera,1993).

Mikroalga halotoleran Dunali-ella dilaporkan mampu mengaku-mulasikan pigmen p-karoten da-

lam jumlah besar. Pada kondisi optimum, lebih dari 10% berat keringbiomassa merupakan p-karoten(Ben-Amotz dan Avron, 1990). De-

mikian pula dengan Spirulina pla-tensis penghasil pigmen phycocya-nin. Pada kultur fotoheterotrofik,produksi maksimum phycocyianin

Vol2, NO. 2BULETIN AGROB/0

Sumber: Metting dan Pyne, 1966

Spirulina platensis, Ochromonas danicaPorphyridium cruantum, O. danicaMonodus subterraneus

Cryptothecodinium cohni, Gonyaulax tamaransisO. danica, Chaetocerus simplex, Astasia longaNaamatococcus pluvialis, Chlorella Candida, Cyanidium caldariumPorphyridium cruantumChlamydomonas reinhardii, C. eilipsoidesEuglana gracilis, Nostoc communaMonodus subterraneus, Tribonesa aaquale, Anabaena cylindricaAmphora sp.Amphora sp.

red, brown, green microalgaebrown microalgaered algaered, brown, green microalgaecyanobacteriacyanobacteria

DunaKella bardawilVacularia virascensC. pyrenoidosaHaematococcus lacustris

Spirulina sp.

S. platensis

A. catanulaA. catanulaA. flosaquaA. osdUaricidesA. variabHisA. variabiUsMasbgocladus laminosusMicrocoleus sp.C. vulgaris, Anacystis nidulansSpirulina sp., Porphyridium sp.

Asteromonas gracilisDunaliela sp.MonaKantus saSnaKlebsormidium marinum, Monochrysis lutari

Synecoccoccus sp.O. malhamansis

Porphyridium spp.Chlorella spp.S. platensis

A. tlosaquaeAphanizomanon flosaqua, Gonyulax tamarensisMicrocysds aaruginosaLyngbya majusculeL. majusculaOscillatoria nigrovidis, Schizothrix claciolaPeridinium pdenicumAmphidinium kleosii, A. rhynchocephalum -

Asam lemak esensial:Asam y-linoleatAsam arakhidonatAsam elkosapentanoat

Sterol:DinosterolKholesterolErgosterol2, DehydrocholesterolPoriferasterolChondrilasterolCHonasterolBrassicasterolStigmasterol

Hidrokarbon:n-bensicosahexaenen-pontadecanen-haptadacanaOlatin7,9-dimetil heksadekana7-metil-heptadekana

Karotenoid:(3-karotenDiadinoxanthinLuteinAsthaxanthin

PhycobiUprotein/phycobiMn:Phycocyianin

Enzim:Fosfogliserat kinaseEndonukJease restriksiAcalAcylAta I & IIAos I & IIAva I. II & IIIAvr I & IIMiaMat I & IIAsam amino okskJaseSuperoksida dismutase

Alkohol polihidrat:GliserolManitolSorbitolSiWoheksanatetrol

Glikosida:GalaktogliseridaFloridosida, isofloridosida

Polisakarida:CarragaananPatiAsam polihidroksibutirat

Toksin:Anatoksin ASaxitoxinMicrocystinDabromoaphysiatoxinLyngbyatoxin AAscMatoxin12-mathoxybogaminaChoHna sulphata

Jenis mikroalgaProduk yang dihasilkan

Tabel 1. Produk-produk bermanfaat yang dihasilkan oieh mikroalgabakteri melawan sejumlah bakterigram positif.

MetUng dan Pyne (1986) mela-porkan bahwa senyawa debromo-

aplysiatoxin dari Lyngbya majuscu-la dan beberapa senyawa yang di-hasilkan oleh Oscillatoria memilikiaktivitas spesifik melawan leukemia pada tikus. Demikian pula se

nyawa tubercidin dari Tolypothrixbyssoidea.

Kelompok senyawa bioaktifyang lain adalah senyawa pengaturtumbuh tanaman (plant growthregulator/PGR). PGR adalah senyawa yang mampu mempengaruhi

pertumbuhan dan perkembangantanaman. Dari sekian banyak jenismikroalga, cyanobacteria yang paling banyak dipelajari kemampuan-nya dalam menghasilkan dan men-sekresikan senyawa pengatur tum

buh tanaman. Aktivitas senyawapengatur tumbuh tanaman padacyanobacteria telah banyak diguna-kan sebagai pupuk hayati, berikutkemampuan fiksasi nitrogennya.Namun demikian, belum banyakhasil studi yang lebih definitifmengenai karakteristik dari senyawa pengatur tumbuh pada mikroalga.

Produk-produk BermanfaatLainnya

Produk-produk bermanfaat lainyang dihasilkan mikroalga di anta-ranya adalah hidrokarbon, alkoholpolihidrat, enzim (Kellam dan Walker, 1987; Kun, 1990; Metting danPyne, 1986), hidrogen (Kuwadadan Ohta, 1987; Miura et al., 1982;1992; Niyomrit et a/., 1989), amoni-ak (Ramos et al., 1982b; Robinsonet al., 1986) dan flokulan (Barr-Ordan Shilo, 1987). Jenis senyawamasing-masing kelompok produktersebut disajikan pada Tabel 1.

H. Kurniawan dan L. Gunarto: Aspek Industri Sistem Kultivasi1999

sil diterapkan dengan baik pada selAnabaena, sementara pada kasus

yang lain justru berhasil dilakukanpada sel Porphyridium, Chlorella,dan Scenendesmus (Trevan dan

Mak, 1988).Teknik/cara perangkapan sel

sangatlah sederhana. Sel yangakan diimobilkan mula-mula disus-pensikan dan dicampur dengansuspensi pembentuk gel pada kon-sentrasi tertentu. Campuran terse

but selanjutnya diteteskan dengancara melewatkannya pada kolomjarum, dan ditampung dengan la-rutan pengeras (hardener), sehing-

ga terbentuk manik-manik. Ukuran

diameter manik-manik akan sa-ngat tergantung pada ukuran kolom jarum. Dari beberapa agensia

perangkap, perangkapan sel meng-

gunakan gel natrium alginat merupakan cara perangkapan sel mikroalga yang banyak diterapkan. Se-

jumlah matriks lain sebagian besarbersifat racun dan tingkat pelepasan sel dari matriks pengimobil cu-kup tinggi.

Menurut Smidsrod dan Skjak-Braek (1990), tahapan persiapanpembuatan gel dan pengimobilansel menggunakan natrium alginat

adalah sebagai berikut:

Penyiapan Larutan Natrium

Alginat

Larutan kalsium alginat dibuatdengan cara mensuspensikan Na-alginat dalam akuades atau bufer,

pada konsentrasi 2-4% (b/v). Suspensi selanjutnya diaduk selama 6jam menggunakan magnetic stirrer

atau digojok menggunakan rotaryshaker pada suhu kamar selama

semalam.

Sterilisasi

Larutan alginat dapat disteril-kan dengan otoklaf atau secara pe-nyaringan. Namun temperatur yangtinggi dapat mengakibatkan terjadi-nya depolimerisasi, sehingga steri-

sik terhadap sel, tembus cahaya

(khusus bagi imobilisasi sel mikroalga fotosintetik), stabilitas sifat didalam media pertumbuhan dan

ketahanan akibat pertumbuhan sel(Trevan dan Mak, 1988).

Adsorpsi sel ke dalam bahanpembawa merupakan teknik imo

bilisasi sel yang paling sederhana.Pada teknik ini, sel dilekatkan pa-da permukaan mated berpori se

perti arang, resin atau potongan-potongan kecil kayu, atas dasar

mekanisme bahwa bahan pem

bawa tersebut dapat berinteraksidengan sel secara fisik atau mela-

lui ikatan polar. Kemampuan adhe-

sif sel pada bahan pembawa dapatditingkatkan dengan cara menam-bahkan agensia aktif permukaan

atau agensia pengikat silang sepertiglutaraldehid.

Perangkapan sel ke dalam bahan pembawa merupakan teknik

imobilisasi yang lebih banyak digu-nakan daripada adsorpsi, karena

kehilangan sel dari matriks pengimobil dapat lebih ditekan. Perangkapan terjadi karena ukuran sel lebih besar daripada ukuran pori bahan pembawa (agensia perang-

kap), sementara di pihak yang laindifusi substrat dan produk dapatberlangsung bebas. Beberapa poli-

mer alami dan sintetik telah banyak digunakan sebagai matrikspengimobil sel mikroalga. Polimeralami seperti alginat, agar dan K-

carrageenan terbukti tidak ber-

pengaruh buruk terhadap viabilitassel yang diimobilkan. Tiga jenispolimer sintetik juga telah dikem-bangkan, yaitu polyacrylamide, serum albumin-glutaraldehid, polyvi-nyl (PV) dan polyurethene (PIT).Polyacrylamide diketahui tidak co-cok diterapkan pada mikroalgaAnacystis dan Rhodospirillum, karena bersifat meracun. Demikian

pula serum albumin-glutaraldehidterhadap Anabaena dan Scenen-

desmus. Polyurethene tidak berha-

TEKNIKIMOBIUSASI SELMIKROALGA

Teknik imobilisasi sel pertamakali dipelajari pada tahun 1960-an,dengan ditemtikannya teknik imobilisasi enzim. Terbatasnya reaksi

yang dapat dikatalisis oleh enzimimobil merupakan salah satu ma-

salah yang ditemui dalam imobilisasi enzim. Teknik tersebut selan-

jutnya berkembang dengan imobilisasi sel viabel, yang terbuktimampu mengkatalisis reaksi multi-tahap berkat peran sistem multi-

enzim yang termuat di dalam sel(Nunez dan Lema, 1987).

Menurut Nunez dan Lema

(1987), ada empat metode yangdapat diterapkan dalam imobilisasisel, yaitu (1) Imobilisasi tanpa ba-han pembawa (carrierless immobi

lization), yaitu pembentukan agre-

gat-agregat sel dengan mengguna-kan senyawa flokulan yang mam

pu mempengaruhi sifat ionik sel,seperti polielektrolit dan mineralhidrokoloid, (2) Penggabungan se-cara kovalen (covalent coupling),

yaitu perlakuan dengan senyawatertentu yang mengakibatkan ter-bentuknya ikatan silang (crosslink),(3)Adsorpsi ke dalam bahan pembawa padat yang bersifat inert, dan(4)Perangkapan sel (entrapment)ke dalam bahan inert yang bersifatsemipermeabel seperti hidrogel,serat atau membran.

Ada dua metode yang dapat diterapkan untuk mengimobilkan selmikroalga, yaitu adsorpsi (adsorp-

sion) dan perangkapan sel secara

aktif (active entrapment). Dalamhal ini, beberapa hal yang perlu di-perhatikan adalah retensi viabilitassel, kemampuan fotosintesis, kera-

patan sel yang tinggi, kontinuitasproduktivitas, rendahnya tingkatpelepasan sel dari matriks peng-

imobil dan stabilitas sel yang di-imobilkan selama preparasi. Mat

riks pengimobil juga hams memili-ki beberapa sifat seperti tidak tok-

VOL2, NO. 2BULETIN AGROB/0

Sumber: Trevan dan Mak, 1988

AgarosaAlginatAgarosaAlginat/PU foam/PV foamAlginat/PU foam/PV foamAlginat/Pt/ foam/PV foamAlginat/PU foamPUfoamAgarosa/alginat/P^ foamAgarosaPUfoamAgarosa/PU foamAgarosa/alginat/Pt/ foam/PV foamPUfoamAgarosa/carrageenanPU foam/glass baadsPU foam/PV foam/alginatAgarosaPdyurathana foamAlginatAlginatAgarosaAlginatAlginatAgarosa

Polyurathana foam, Albumin/glutaraidehid, AlginatAlginatPdyurethana foamAlginatAlginat

Teknik imobiiisasi sel

C. vulgarisC. pyranddosaAnacystis nidulansScanandesmus spp.Mastigodadus laminosusAnabaana spp.Scanendasmus obliquusPorphyridium purpuraumPhormidium spp.AscMatoria miami BG7.OscWatoria BmnabcaNostoc muscorumMastigodadus laminosusChlorogloaa fritchiiAnabaana sp. N-7363A. cyBndricaAnabaana azoBaaProtothaca zopfSPorphyridium cruantumD. tartoiectaDunaBatta parvaC. vulgarisC. amarsoniB. brauniAnacystis nidulansScenandesmus obliquusEuglena gracMsC. vulgarisChoreKa amarsonHBotryococcus brauni

Jenis mikroalga

Tabet 2. Penerapan teknik imobiiisasi sel mikroalga

mikroalga fotosintetik masih sangat

terbatas. Seperti diketahui bahwatidak sedikit jenis mikroalga yangmemiliki kemampuan menggunakan senyawa inorganik atau sum-ber karbon sederhana. Dengan de-

mikian, tampaknya para ahli dankalangan industri lebih tertarik untuk mengembangkan sistem fer-mentasi heterotrofik, karena lebih

menguntungkan dalam beberapa

hal. Di samping lebih mempermu-

dah dalam melakukan optimasidan manipulasi sejumlah faktorkultural, produktivitas sistem fer-mentasi mikroalga secara heterot

rofik terbukti lebih tinggi dibanding-kan dengan sistem fotoautotrof

(Chenefa/., 1996).

Pada prinsipnya, bioreaktoryang digunakan untuk kultivasi selmikroalga imobil tidak berbeda dengan sel mikroalga bebas. Hanya

oleh fosfat. Stabilitas manik-manik

dapat dipelihara dengan cara me-nurunkan kondisi kemasaman media kultur pada pH 7,0-5,5 dan me-

ngurangi konsentrasi fosfat dan sitrat sampai 10 mM.

Berdasarkan hasil studi padaberbagai jenis sel mikroalga yangdiimobilkan, diketahui bahwa selmikroalga filamen lebih cocok diimobilkan secara adsorpsi. Teknik

imobiiisasi dengan perangkapansel secara aktif sesuai diterapkanpada sel mikroalga uniselular atauyang membentuk koloni kecil(Trevan dan Mak, 1988). Penerap-an teknis imobiiisasi sel mikroalgadisajikan pada Tabel 2.

RANCANGAN BIOREAKTORHingga kini hasil studi dan in-

formasi mengenai rancangan bio-

reaktor untuk kultivasi sel imobil

lisasi dengan penyaringan merupa-

kan cara yang dianjurkan. Alginatdengan tingkat kemurnian yangtinggi dapat disaring secara lang-sung menggunakan membran pe-

nyaring berukuran 0,22 pm ataumenggunakan sen membran pe-nyaring dengan tingkatan ukuran

1,2; 0,8; 0,45; dan 0,22 pm. Selaindiperoleh manik-manik dengantingkat kebeningan yang tinggi, pro-sedur tersebut sekaligus mampumenghilangkan materi-materi pen-cemar seperti protein dan polife-

nol.

Pencampuran dengan Sel

Larutan alginat yang telah di-sterilkan selanjutnya dicampur dengan suspensi sel pada volume

yang sama. Suspensi sel dibuat dengan cara mencampurkan biomas-sa sel dalam larutan bufer isoto-

nik. Bufer yang digunakan sebaik-nya bukan fosfat, sitrat, EDTA atau

bufer lain yang mengandung kationdivalen karena dapat berakibat bu-ruk terhadap stabilitas manik-manik gel yang akan terbentuk.

Imobiiisasi Sel

Manik-manik gel dibentuk dengan cara meneteskan suspensi al

ginat yang telah dicampur dengansel (diameter kolom jarum diaturpada ukuran 0,22-0,1 mm) ke dalam larutan yang mengandung 20-100 mM ion Ca++. Larutan yang digunakan biasanya adalah CaCl2.Gel manik-manik yang jatuh ke dalam larutan CaCl2 akan mengeras

dalam 5-30 menit, tergantung padaukuran gel manik-manik yang ter

bentuk.

Gel natrium alginat memperli-hatkan kecenderungan dapat diru-

sak oleh ion pengkelasi seperti fosfat dan sitrat (bahan yang sering di-tambahkan sebagai nutrisi padamedia pertumbuhan). Namun

dengan adanya sel, manik-manik

menjadi tahan terhadap perusakan

H. Kurniawan dan L. Gunarto: Aspek Industri Sistem Kultivasi1999

sehingga pertumbuhan sel dan sta-

bilitas gel meningkat (Trevan danMak, 1988).

Pada beberapa kasus, produkti-

vitas sel mikroalga yang diimobilkan dilaporkan meningkat, meski-pun penyebab secara pasti baru

merupakan dugaan. Meningkatnya

penghasilan hidrokarbon oleh selBotryococcus imobil diduga ber-

kaitan dengan menurunnya kecepatan pertumbuhan akibat peng-

imobilan sel. Produksi hidrogenoleh Anabaena meningkat tiga kalilipat, dimungkinkan karena terlin-

dunginya sel dari efek gaya gesek-an selama aerasi dan agitasi (Tre

van dan Mak, 1988).Trevan dan Mak (1988) mem-

pelajari Anabaena azollae untukproduksi hidrogen dengan meng-

gunakan sel bebas dan sel yangdiimobilkan. Hasilnya menunjuk-kan bahwa pada umumnya imo-

bilisasi sel berakibat meningkatnyaproduktivitas. Karena terjadi peru-bahan metabolisme sel. Produksiamoniak oleh Mastigocladus lami-

nosus juga diketahui meningkatdrastis apabila sel diimobilkan dengan menggunakan polyvinyl (PV).

Dibandingkan dengan sistemkultivasi sel mikroalga bebas, ma-

salah utama yang dihadapi dalampenerapan teknik imobilisasi seladalah relatif lebih tingginya ma-sukan biaya. Dengan demikian tek

nik imobilisasi sel tersebut merupakan salah satu cara untuk me

ningkatkan produktivitas dan efi-siensi produksi yang layak diterapkan untuk menghasilkan produk-produk yang bemilai ekonomi ting-gi. Sebagian besar produk-produktersebut merupakan senyawa yangbanyak digunakan dalam bidangteknologi pangan dan farmasetika.Beberapa jenis produk tersebut sa-

at ini telah dikembangkan baik untuk keperluan riset maupun dalamskala komersial, seperti senyawa-senyawa isotopik (>US$ 1.000/kg),

berbagai keperluan, baik dalamskala laboratorium maupun skala

komersial. Sel imobil Phorpyridiumdiketahui mampu menghasilkandan mensekresikan polisakarida,demikian pula penghasilan asamglikolat oleh sel imobil Chlorelladan produksi amoniak oleh Masti-gocladus (Ramos et al., 1982a).Produksi hidrogen oleh Phormid-ium, Lyngbya dan Chlamydomonasjuga telah berhasil dilangsungkan(Kuwada dan Ohta, 1987; Miyamoto et al., 1989; Ramos et al.,

1982a) baik secara imobil maupunkoimobil. Aplikasi sel imobil mikroalga yang lainnya adalah untukproduksi pigmen biru oleh Laven-dula vera (Yongsmith et al., 1989),produksi senyawa hidrokarbonoleh Botryococcus braunii (Smid-srod dan Skjak-Braek, 1990) danproses bioakumulasi chlorinatedhydrocarbon chlordecone oleh Pro-

totheca (Ramos et al., 1982a) produksi gliserol oleh Dunaliela parvadan D. tertiolecta serta produksi hidrokarbon oleh Botryococcus braunii dan Prototheca zopfii (Trevandan Mak, 1988).

Kecepatan pertumbuhan sel

mikroalga yang diimobilkanumumnya lebih rendah dibanding-kan dengan sel bebas. Urea diketahui merupakan sumber nitrogenyang efektif bagi kultur mikroalga.Pada kultur sel Chlorella yang diimobilkan dengan kalsium alginat,urea tidak hanya meningkatkanproduksi asam glikolat, namun juga membantu penyebaran pertum

buhan sel pada bagian tengah ma-nik-manik kalsium alginat. Stabili-tas gel juga meningkat, demikianpula terjadi penurunan pelepasansel dari matriks pengimobilnya. Sa-

lah satu faktor pembatas pada kultur sel Chlorella yang diimobilkanadalah pasokan CO2. Manakalaurea terserap ke dalam manik-

manik, maka terjadi pemecahanmenghasilkan CO2 dan amoniak,

saja sel rnikroalga yang diimobil-kan memiliki pilihan tipe bioreak-tor yang lebih banyak. Beberapa tipe bioreaktor bagi sel imobil mik-roalga telah diusulkan dan dikenal-kan, di antaranya adalah tall vertical glass tube, long serpentin glass

tube (Benemann et al., 1987) dantubular loop photobioreactor (Kun,

1990) (untuk kultivasi sel mikroal-ga fotoheterotrofik), serta packedbed bioreactor, fluidized bed biore-actor, dan airlift bioreactor (Trevan

dan Mak, 1988) (untuk kultivasi selmikroalga heterotrofik). Bioreaktorbertipe tertutup seperti packed bedbioreactor, fluidized bed bioreactor,dan airlift bioreactor telah banyakditerapkan pada sistem fermentasiheterotrofik oleh bakteri dankhamir.

Di antara ketiga tipe fotobiore-aktor, tubular loop photobioreactor

paling meluas diterapkan pada kultivasi sel mikroalga (Kun, 1990).Bagian utama bioreaktor tersebutberupa pipa gelas panjang yangmembentuk kelokan Qoop) dalamsatu bidang. Bioreaktor ini dileng-kapi dengan sumber cahaya, klep

pengatur pemasukan gas, pengaturdan pengukur intensitas cahaya,pengatur suhu, reservoir amoniak,

reservoir trace element, pompa sir-kulasi, pH meter, reservoir nutrien,

reservoir antifoam dan perangkatmikrokomputer. Udara yang diper-

kaya dengan CO2 terus dipasok kedalam kultur guna menjamin opti-malnya pertumbuhan sel. Untuk

menghindari timbulnya ruang ko-song akibat injeksi gas CO2 secaralangsung ke dalam bioreaktor, ma-

ka pasokan gas CO2 dilakukan me-lewati gas exchanger yang dihu-bungkan ke dalam tube fermentor.

APLJKASI KULTIVASI SELMIKROALGA IMOBIL PADA

INDUSTRI FERMENTASISel mikroalga viabel yang di-

imobilkan telah digunakan untuk

V0L2, No. 2BULETIN AGROB/0

Sumber: Trevan dan Mak, 1988

Chen, F., Y. Zhang, and S. Guo.1996. Growth and phycocyanin formation of Spirulina platensis in pho-toheterotrophic culture. Biotechnol.Lett. 18(5):603-608.

Cordero, B., A. Otero, M. Patino,B.O. Arredondo, and J. Fabregas.1996. Astaxanthin production fromthe green alga Haematococcus plu-vialis with different stress conditions. Biotechnol. Lett. 18(2):213-218-

Gresshoff, P.M. 1981. Induction andrepression of acetamidase in Chla-mydomonas reinhardS. Aust. J.Plant Physiol. 8:525-533.

Kellam, SJ. and J.M. Walker. 1987.An extracellular protease from thealgae Chlorella sphaerkii. Biochem.Soc. Trans. 15:520-521.

Kellam, SJ. and J.M. Walker. 1989.Antibacterial activity from marinemicroalgae in laboratory culture. Br.Phycol. J. 24:191-194.

Kun, Y. 1990. Genetic and technological improvement with respect tomass cultivation of microalgae. InNga and Lee (Eds.). MicrobialApplication in Food Biotechnology.Elsevier Applied Science, London.Pp. 61-73.

Kun, L.Y. 1994. Beneficial microalgae.Bio/Technol. 12:707.

Kuwada, Y. and Y. Ohta. 1987. Hydrogen production by an immobilized cyanobacterium Lyngbya sp. J.FermenLTechnol. 65:597-602.

Lincoln, R.A., K. Stupinski, and J.M.Walker. 1991. Studies on a toxinproduced by the cyanobacteriumPhormidium persicinum. Biochem.Soc. Trans. 19:428S.

Metting, B. and J.W. Pyne. 1986. Biologically active compounds frommicroalgae. Enzyme Microb. Tech-nol. 8:386-394.

Miura, Y., K. Yagi, M. Shoga, and K.Miyamoto. 1982. Hydrogen production by a green algae Chlamy-domonas reinhardii in an alternatinglight/dark cycle. Biotechnol. Bioeng.24:1555-1563.

Riset

Komersial

RisetKomersialKomersialKomersial

0,5%

5%

0,1-1%

1-5%>5%

microalgaeGreenDunaliellaBanyakBlue-greenRedBlue-greenBanyak

US$20O50O/kg

>US$500/kgSangat tinggi-

>US$10.00Q/kg> US$ 100/kg>US$1000/kgSenyawa isotopik Pengobatan, riset

PhycobHiprotoin Pewarna makananRiset

Bahan farmasetika AntikankerAntibiotik

8-karocenSuplemen makananXanthophyllSuplemen pakan

ternak

"Jenis produk Penggunaan

Tabel 3. Implikasi industri sistem kultivasi sel mikroalga

DAFTAR PUSTAKABarr-Or, Y. and M. Shilo. 1987. Cha

racterization of macromolecularfiocculants produced by Phormidiumsp. strain J-1 and by Anabaenopsiscirculahs PCC 6720. Appl. Environ.Microbiol. 53:2226-2230.

Ben-Amotz, A. and M. Avron. 1990.The biotechnology of cultivating thehalotolerant Dunaliella. TIBTech. 8:121-12.

Benemann, J.R, D.M. Tillett, and J.C.Weissman. 1987. Microalgae biotechnology. TIBTech. 5:47-53.

Cannell, R.J.P. and J.M. Walker,1986.ct-glucoside inhibitory activities from freshwater algae. Bio-chem. Soc. Trans. 15:521.

Cannell, RJ.P. and J.M. Walker,1987.Glucosidase inhibitory fromfreshwater green algae. 621stMeeting London. 15:521.

Cannell, R.J.P., SJ. Kellam, A.M.Owsianka, and J.M. Walker.1987. Microalgae and cyanobacte-ria as a source of glycoside inhibitor. J. Gen. Microbiol. 133:1701-1705.

Cannell, RJ.P., P. Farmer, and J.M.Walker. 1988a. Purification andcharacterization of pentagalloylglu-cose, an a-glucoside/antibiotic fromthe freshwater algae. Biochem. J.255:937-941.

Cannell, RJ.P., A.M. Owsianka, andJ.M. Walker. 1988b. Result oflarge-scale screening programmeto detect antibacterial activity fromfreshwater algae. Br. Phycol. J. 23:41-44.

phycobiliprotein (>US$ 10.000/kg),p-karoten (US$ 300-500/kg), xan-thophyll (US$ 200-500 /kg) serta se-nyawa antikanker dan antibiotikdengan nilai ekonomi yang sangattinggi (Trevan dan Mak, 1988) (Ta-bel 3).

KESIMPUIANImobilisasi sel mikroalga meru-

pakan salah satu dari sekian ba-

nyak teknologi yang tersedia untukmeningkatkan produktivitas. Da-

lam rangka penerapan teknologitersebut menuju pengembanganskala komersial, maka diperlukanupaya penelitian mengenai peng-

aruh teknik imobilisasi terhadapkarakteristik fisiologis sel, peran-cangan fotobioreaktor yang lebihefisien serta kajian mengenai aspek genetis mikroalga berikut ke-mungkinan manipulasinya. Beber-

apa penggunaan sel mikroalgaimobil yang telah dilakukan meru-pakan model untuk menghasilkanproduk yang mampu bersaing dipasar. Beraneka ragamnya produk

(metabolit) yang dihasilkan olehsel mikroalga memungkinkan teknologi tersebut dapat dikembang-kan di masa mendatang. Penelitian

lebih lanjut mengenai peran faktorkultural juga diperlukan, mengingatmasih terbatasnya hasil studi mengenai optimasi produksi metabolitoleh mikroalga. Demikian pula dengan sejumlah produk mikroalgayang belum sepenuhnya terkarak-terisasi.

H. Kurniawan dan L. Gunarto: Aspek Industri Sistem Kultivasi1999

Smidsrod, O. and G. Skjak-Braek.1990. Alginate as immobilizationmatrix for cells. TiBTech. 8:71-78.

Sumantera, I.W. 1993. Bioteknologimikroalga: Era Baru Dunia Pene-litian. Aku Tahu. Maret 1993:49.

Trevan, M.D. and A.L.Mak. 1988.Immobilized algaeand theirpotential for use asbiocatalysts.TIBTech. 6:68-73.

Yongsmith, B., H. Nakajima, K.Sonomoto, and A. Tanaka. 1989.Production of blue pigmen byimmobilized Lavendura vera. InMicrobiai Utilization of RenewableResources. Joint Seminar of Biotechnology 1989. Faculty of Engineering, Osaka University, Japan.Pp. 319-321.

Nunez, M.J. and J.M. Lema. 1987.Cell immobilization: Application toalcohol production. Enzyme Microb.Technol. 9:642-651.

Ramos, J.L., M.G. Guerrero, and M.Losada. 1982a. Optimization ofconditions for photoproduction ofammonia from nitrate by Anacystisnldulans. Appl. Environ. Microbiol.44:1013-1019.

Ramos, J.L., M.G. Guerrero, and M.Losada. 1982b. Sustained photo-production of ammonia from nitrateby Anacystis nidulans. Appl. Environ. Microbiol. 44:1020-1025

Robinson, P.K., K.H. Goulding, A.L.Mak, and M.D. Trevan. 1986. Factors affecting the growth characteristics of alginateentrapped Chlo-rella. Enzyme Microb. Technol. 8:729-733.

Miura, Y., C. Saitoh, S. Matsuoka,and K. Miyamoto. 1992. Stablesustained hydrogen production withhigh molar yield through a combination of a marine green algae anda photosynthetic bacterium. Biosci.Biotechnol. Biochem. 56:751-754.

Miyamoto, K., A. Chetsumon, K.Chansa-Ngajev, and Y. Miura.1989. Microalgal biotechnology forthe production of energy and chemical. In Microbial Utilization of Renewable Resources. Joint Seminarof Biotechnology 1989. Faculty ofEngineering, Osaka University,Japan. Pp. 241-143.

Niyomrit, S., K. Miyamoto, W.Yamada, K. Chansa-Ngajev, andY. Miura. 1989. Hydrogen production by green algae isolated in Central Thailand. In Microbial Utilizationof Renewable Resources. JointSeminar of Biotechnology 1989.Faculty of Engineering, Osaka University, Japan. Pp. 256-258.

V0L2, NO. 2BULETIN AGROB/0