Issuu on Google+

Proposal riset (Bioteknologi)

Rhizopus sp.

Beasiswa Sobat Bumi Pertamina Foundation 2013


Daftar isi Ringkasan

2

3

Road map penelitian

7

8

Jadwal penelitian

Metode penelitian

9

10

Profil peneliti

Energi terbarukan berbasis biomassa

11

Anggaran biaya


Ringkasan Kebutuhan akan sumber energi dan bahan kimia dasar (platform chemical) yang semakin tinggi mendorong pengembangan sumber alternatif yang terbarukan dengan menggunakan konsep bio-based refinery (biorefinery). Salah satu mikroorganisme yang dapat digunakan dalam konsep biorefinery adalah jamur berfilamen dari golongan Rhizopus sp. Rhizopus sp. memiliki kemampuan untuk memecah biomassa menjadi gula sederhana sekaligus melakukan fermentasi gula sederhana menghasilkan etanol dan asam organik (asam laktat, asam fumarat, asam malat, dan asam suksinat). Biosintesis etanol dan asam organik dari bahan terbarukan (biomassa) menggunakan Rhizopus sp. diharapkan menjadi salah satu tonggak untuk pengembangan green renewable bioproduct. Penelitian ini memiliki fokus pada jalur metabolisme (konversi) glukosa menjadi etanol dan asam laktat oleh Rhizopus sp. Glukosa yang masuk ke dalam sel akan diubah menjadi piruvat dan melalui titik percabangan untuk kemudian mengarah pada jalur biosintesis etanol atau asam laktat. Pemahaman mengenai regulasi pada jalur biosintesis etanol dan asam laktat pada titik percabangan piruvat merupakan hal yang penting untuk diketahui dalam rangka peningkatan yield produksi. Penelitian ini mencakup identifikasi isolat Rhizopus sp. secara molekuler, analisis aktivitas esktrak kasar enzim yang berperan dalam biosintesis etanol dan asam laktat, serta penentuan kinetika fermentasi optimal dalam biosintesis etanol dan asam laktat berdasarkan beberapa kondisi yang didapatkan pada penelitian ini. Penelitian ini akan membutuhkan waktu sekitar 6 bulan dengan anggaran biaya sekitar Rp 29.533.000,00.

2


Courtesy : http://www.bionomicfuel.com/wp-content/uploads/2009/06/biomass-energy-pros-and-cons-1.jpg

Energi Terbarukan Berbasis Biomassa Era energi baru terbarukan Bahan bakar fosil dikenal sebagai sumber energi yang penting bagi kehidupan umat manusia. Selain digunakan sebagai sumber bahan bakar, bahan bakar fosil juga dibutuhkan dalam pembuatan berbagai bahan kimia dasar (platform chemical) maupun material yang kita gunakan seharihari. Ketergantungan kehidupan manusia terhadap bahan bakar fosil semakin tahun semakin meningkat sedangkan bahan bakar fosil merupakan sumber daya yang tidak dapat diperbaharui dan ketersediaannya di dalam perut bumi juga terbatas. Lebih jauh lagi, merebaknya isu global warming dan isu lingkungan lainnya mengharuskan kita untuk semakin mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil. Salah satu strategi yang dapat dilakukan adalah dengan

3

pengembangan sumber energi baru terbarukan, antara lain dari panas bumi (geothermal), air, matahari, angin, nuklir, dan biomassa non-bahan pangan. Energi terbarukan berbasis biomassa nonbahan pangan memiliki potensi untuk dikembangkan sebagai sumber alternatif bahan bakar transportasi dan platform chemical1. Indonesia sebagai negara tropis dan agraris memiliki ketersediaan biomassa non-bahan pangan yang melimpah sepanjang tahun dalam bentuk limbah pertanian. Ketersediaan biomassa nonbahan pangan yang melimpah tersebut belum dimanfaatkan secara optimal, sehingga menjadi suatu tantangan besar bagi bangsa Indonesia untuk mengembangkan energi terbarukan berbasis biomassa.


Konsep biorefinery dan pengembangan green

renewable bioproduct

Sama halnya dengan petroleum refinery yang dilakukan untuk mendapatkan bahan bakar dan bahan petrokimia lainnya, istilah biorefinery digunakan untuk menggambarkan proses produksi bahan bakar dan platform chemical dari bahan terbarukan (biomassa). Berbeda dengan petroleum refinery, biorefinery dilakukan dengan proses yang terjadi di dalam sel makhluk hidup. Tahapan yang dilakukan untuk menjalankan proses biorefinery antara lain dengan pengubahan biomassa (senyawa pati maupun selulosa) menjadi gula sederhana atau lebih dikenal dengan proses sakarifikasi, dilanjutkan dengan proses fermentasi gula sederhana menjadi bahan bakar dan platform chemical oleh sel, serta proses hilir untuk mendapatkan produk yang diinginkan. Proses biorefinery merupakan bagian dari pengembangan green renewable bioproduct karena proses produksi yang ramah lingkungan (green), menggunakan biomassa sebagai sumber yang terbarukan (renewable resouces), dan menghasilkan bioproduk gffddh

biomassa

gula

yang berpotensi untuk dkembangkan dalam rangka pemenuhan terhadap alternatif sumber bahan bakar dan platform chemical di masa depan. Salah satu contoh bahan bakar yang dihasilkan dari proses biorefinery adalah bioetanol. Kebutuhan akan bioetanol secara global diperkirakan akan terus meningkat dan diprediksikan akan melebihi angka 125 milyar liter pada tahun 20202. Di sisi lain, asam laktat merupakan salah satu contoh dari platform chemical dan asam organik yang paling banyak digunakan dalam berbagai industri makanan, farmasi, kosmetik, maupun industri kimia. Sekitar 70-80% asam laktat yang beredar di dunia saat ini dihasilkan dari hasil fermentasi3. Oleh karena itu, pangsa pasar dari produksi asam laktat melalui proses biorefinery sangatlah tinggi.

Potensi Rhizopus sp. dalam proses biorefinery Biorefinery melibatkan proses fermentasi dengan menggunakan bantuan mikroorganisme seperti bakteri dan ragi (yeast). Beberapa dekade terakhir diketahui bahwa mikroorganisme dari golongan fungi berfilamen (filamentous fungi) juga memiliki peranan yang cukup penting terkait dengan proses biorefinery. Salah satu golongan fungi berfilamen yang dapat digunakan dalam proses biorefinery untuk menghasilkan etanol dan asam organik (asam laktat, asam fumarat, asam malat, dan asam suksinat) adalah Rhizopus sp4.

Proses biorefinery menggunakan Rhizopus sp. Biomassa dalam bentuk

Sel Rhizopus sp. piruvat

asam laktat

etanol

asam fumarat

asam malat

asam suksinat

kompleks seperti selulosa dan pati akan diurai menjadi gula sederhana terlebih dahulu oleh enzim hodrolitik yang dihasilkan Rhizopus sp. Gula sederhana yang masuk ke dalam sel kemudian melalui titik percabangan piruvat dan diubah menjadi bioproduk meliputi etanol dan asam organik (asam laktat, asam fumarat, asam malat, dan asam suksinat).

4


Rhizopus sp. Courtesy : http://genuardis.net/rhizopus/rhizopus-oryzae-sporangium-1.htm


Penggunaan Rhizopus sp. dalam proses biorefinery memiliki kelebihan tersendiri, salah satunya adalah memungkinkan proses hilir yang lebih sederhana karena morfologi dari fungi berfilamen seperti Rhizopus sp. dalam bentuk filamen dan pelet. Rhizopus sp. tidak membutuhkan medium pertumbuhan yang lengkap seperti medium yang dibutuhkan untuk pertumbuhan bakteri dan ragi. Hal ini juga didukung dengan kemampuan Rhizopus sp. untuk melakukan penguraian biomassa seperti pati dan selulosa. Dengan demikian, Rhizopus sp. memiliki potensi untuk dapat dikembangkan pada proses biorefinery dalam skala industri. Kesuksesan dalam komersialisasi bioproduk menggunakan konsep biorefinery bergantung pada kecepatan produksi dan nilai ekonomis (kelayakan produksi dalam skala masal) konversi biomassa menjadi bioproduk seperti bioetanol dan asam laktat. Pemahaman mengenai fisiologi sel dan regulasi metabolisme dalam biosintesis produk spesifik merupakan suatu objek penelitian berbasis bioteknologi yang penting untuk dilakukan terhadap mikroorganisme yang banyak digunakan untuk industri. Peningkatan efisiensi biosintesis suatu produk spesifik pada proses fermentasi dapat dilakukan dengan pendekatan studi rekayasa metabolisme (metabolic engineering) baik melalui modifikasi pengaruh lingkungan maupun modifikasi pada tingkat molekuler. Penelitian ini memiliki fokus pada regulasi biosintesis etanol dan asam laktat pada isolat Rhizopus sp. melalui karakterisasi dan regulasi enzim-enzim yang berperan pada titik percabangan piruvat untuk dapat meningkatkan yield produksi.

Pemahaman mengenai fisiologi sel dan regulasi metabolisme dalam biosintesis produk spesifik merupakan suatu objek penelitian berbasis bioteknologi yang penting dilakukan terhadap mikroorganisme yang banyak digunakan untuk industri dalam rangka peningkatan yield produksi.

Referensi : 1. 2. 3. 4. 5. 6.

van Haveren, J., Scott, E.L., Sanders, J.P.M. (2008) Bulk chemicals from biomass. Biofuel Bioprod Bior . 2:41– 57. Demirbas, A. (2007) Producing and using bioethanol as an automotive fuel. Energ Source Part B. 2:391–401. Jin, B., Yin, P., Ma, Y., Zhao, l. (2005) Production of lactic acid and fungal biomass by Rhizopus fungi from processing waste streams. J Ind Microbiol Biotechnol. 32:678-686. Skory, C. D., Freer, S. N., Bothast, R. J. (1997) Screening for Ethanol- Producing Filamentous Fungi. Biotecnology Letters. 19(3): 203-206. Guo ,Y., Yan, Q., Jiang, Z., Teng, C.,Wang, X. (2010) Efficient production of lactic acid from sucrose and corncob hydrolysate by a newly solated Rhizopus oryzae GY18. J Ind Microbiol Biot. 37:1137–1143. Vially, G., Marchal, R., Guilbert, N. (2010) L-(+)-lactate production from carbohydrates and lignocellulosic materials by Rhizopus oryzae UMIP 4.77. World J Microb Biot. 26:607–614.

6


Road map penelitian Perancangan bioreaktor untuk produksi etanol dan asam laktat oleh Rhizopus sp. dengan bahan baku biomassa

xxx, yyyy Penentuan kondisi optimum produksi dan aktivitas enzim hidrolitik ekstraseluler pada Rhizopus sp.

xxx, yyyy Studi regulasi biosintesis etanol dan asam laktat pada Rhizopus sp. Dwijayanti, 2013 Ekspresi enzim intraseluler dan ekstraseluler Rhizopus sp. selama tahapan fermentasi onggok tapioka mentah menjadi etanol

Djajadi, 2012 Penapisan isolat Rhizopus sp. untuk produksi bioetanol dari onggok tapioka mentah

Telah dilakukan Sedang dilakukan Akan dilakukan

Agustiani, 2010 Road map penelitian. Penelitian ini merupakan bagian dari road map penelitian produksi biofuel berbasis biomassa yang telah dikembangkan di Sekolah Ilmu dan Teknologi Hayati Institut Teknologi Bandung.

7


Metode penelitian Penelitian ini secara umum terbagi atas 3 tahapan utama meliputi :

1

Identifikasi molekuler isolat Rhizopus sp. Identifikasi molekuler isolat Rhizopus sp. dilakukan berdasarkan analisis Internal Transcribed Spacer (ITS) DNA ribosom. Data filogenetika yang didapatkan pada tahapan ini akan memberikan gambaran mengenai jalur metabolisme yang dimiliki oleh isolat Rhizopus sp.

2

Analisis aktivitas enzim intraseluler pada jalur biosintesis asam laktat dan etanol secara in vitro

3

Penentuan kinetika fermentasi optimum untuk biosintesis etanol dan asam laktat

Reaksi metabolisme di dalam sel dikendalikan oleh aktivitas dan jumlah enzim sebagai katalis reaksi kimia di dalam sel. Enzim yang terlibat dalam biosintesis asam laktat dan etanol antara lain enzim Laktat dehidrogenase, enzim Piruvat dekarboksilase, dan enzim Alkohol dehidrogenase. Analisis aktivitas ekstrak kasar ketiga enzim tersebut dilakukan terhadap pengaruh pH, suhu, kadar etanol, kadar glukosa, dan kadar asam piruvat.

Kondisi optimum berdasarkan analisis aktivitas ekstrak kasar enzim dapat dipergunakan untuk menentukan kinetika fermentasi optimum pada jalur produksi etanol atau asam laktat. Kinetika fermentasi optimum diuji pada bioreaktor dalam skala laboratorium dan metabolit hasil fermentasi ditentukan menggunakan analisis High Pressure Liquid Chromatography (HPLC).

8


Jadwal Penelitian Bulan I •Persiapan •Pembuatan suspensi spora •Produksi biomassa •Identifikasi Rhizopus sp. secara molekuler

1

2

Bulan III

Bulan V

•Isolasi ekstrak kasar enzim intraseluler •Penentuan aktivitas ekstrak kasar enzim intraseluler terhadap pH dan suhu

•Pembuatan suspensi spora •Produksi biomassa •Fermentasi berdasarkan parameter yang telah diketahui

3

4

5

6

Bulan II

Bulan IV

Bulan VI

•Pembuatan suspensi spora •Produksi biomassa •Fermentasi pendahuluan

•Penentuan aktivitas ekstrak kasar enzim intraseluler terhadap konsentrasi glukosa, asam piruvat, dan etanol

•Analisis metabolit hasil fermentasi

Jadwal penelitian. Penelitian ini akan membutuhkan waktu sekitar 6 bulan dengan jadwal yang tercantum pada diagram di atas. Penelitian akan dilakukan di SITH ITB oleh tim peneliti.

9


Anggaran Biaya Anggaran biaya yang diperlukan dalam penelitian ini meliputi biaya bahan dan biaya analisis dengan rincian sebagai berikut : Biaya bahan Barang Tips 1000µL Tips 200µL Tips 10µL Microtube Gloves Alkohol 96% Spirtus Kuvet bahan bufer NADH Reagen PCR Reagen elektroforesis Reagen Bradford Asetaldehid Standar etanol, D-glukosa, dan L-asam laktat Instalasi bioreaktor sederhana pyruvic acid sodium salt NAD ADH Sodium oxamate SUB TOTAL

Jumlah 1 bag 1 bag 1 bag 1 bag 1 kotak 2L 1L 4 kotak 1 paket 1g 5 reaksi 5 reaksi 500 mL 20 mL 1 paket 4 buah 25 g 250 mg 1 vial 5g

Biaya Rp250.000,00 Rp250.000,00 Rp250.000,00 Rp250.000,00 Rp60.000,00 Rp100.000,00 Rp30.000,00 Rp600.000,00 Rp200.000,00 Rp2.814.000,00 Rp500.000,00 Rp250.000,00 Rp50.000,00 Rp24.000,00 Rp2.000.000,00 Rp600.000,00 Rp1.035.000,00 Rp714.000,00 Rp1.060.000,00 Rp2.586.000,00 Rp13.623.000,00

Biaya satuan Rp100.000,00 Rp500.000,00 Rp250.000,00 Rp20.000,00

Biaya Rp600.000,00 Rp500.000,00 Rp14.750.000,00 Rp60.000,00 Rp15.910.000,00

Biaya analisis Analisis Direct sequencing DNA Analisis GC-MS Analisis HPLC Sonikasi

Jumlah 6 reaksi 1 kali 56 sampel + 3 standar 3 kali SUB TOTAL

Total biaya yang diperlukan sebesar Rp 29.533.000,00

10


Ari Dwijayanti Mahasiswa

Dr. Maelita R. Moeis Pembimbing

Dr. Robert Manurung Pembimbing

Ari telah menyelesaikan pendidikan sarjana untuk bidang Mikrobiologi di ITB pada tahun 2012. Saat ini, Ari sedang menjalani tahun terakhir pendidikannya pada program magister Bioteknologi pada institut yang sama. Alumni Pertamina Foundation Scholars angkatan I ini memiliki cita-cita untuk mengembangkan green renewable bioproduct di Indonesia.

Doktor di bidang genetika molekuler mikroba (Strathclyde University, UK) ini memiliki research of interest terhadap pengembangan biofuel berbasis biomassa. Fokus penelitian terkait biofuel yang ditekuni Dr. Maelita antara lain enzim-enzim untuk industri seperti enzim untuk hidrolisis biomassa dan produksi bioetanol. Profil lengkap dapat dilihat pada http://www.sith.itb.ac.id/profil e/maelita.html

Dr. Robert telah lama berkecimpung di bidang bioenergi, salah satunya adalah pengembangan jatropha untuk produksi biodiesel di Indonesia. Doktor di bidang bioproduk engineering (Groningen, Belanda) ini telah merintis pengembangan bioenergi berbasis biomassa di Indonesia. Profil lengkap dapat dilihat pada http://www.sith.itb.ac.id/KK/AT B/index.php/robertmanurung.html

Profil peneliti

Hubungi kami : Ari Dwijayanti +6285862046580 ari.dwijayanti@gmail.com Laboratorium Genetika dan Analisis Molekuler Sekolah Ilmu dan Teknologi Hayati ITB Labtek XI Gedung SITH Jl.Ganesa 10 Bandung 40132 Indonesia


proposal beasiswa sobat bumi 2013