PRODUKSI BIOHIDROGEN MELALUI FERMENTASI BAKTERI

PRODUKSI BIOHIDROGEN MELALUI FERMENTASI BAKTERI
FOTOSINTETIK Rhodobium marinum DAN ISOLAT SANUR
MUHAMMAD SIDIQ HABIBI
PROGRAM STUDI BIOKIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
ABSTRAK
MUHAMMAD SIDIQ HABIBI. Produksi Biohidrogen melalui Fermentasi Bakteri
Fotosintetik Rhodobium marinum dan Isolat Sanur. Dibimbing oleh DJAROT
SASONGKO HAMI SENO dan DWI SUSILANINGSIH.
Bioenergi merupakan energi terbarukan dan prospektif untuk dikembangkan.
Pengembangan bioenergi ini tidak hanya dapat mengurangi ketergantungan terhadap
bahan bakar minyak, tetapi juga dapat meningkatkan keamanan pasokan energi
nasional. Biohidrogen merupakan salah satu bentuk bioenergi yang dapat dimanfaatkan
sebagai sumber bahan bakar, kaperluan industri, dan nuklir. Penelitian ini bertujuan
memproduksi gas hidrogen melalui fotofermentasi bakteri Rhodobium marinum dan
konsorsium bakteri isolat Sanur dengan memanfaatkan glukosa 1% sebagai substrat.
Fotofermentasi ini dilakukan dengan cara kultur bakteri R. marinum dan isolat Sanur
(OD = 1) disentrifugasi pada 6000 rpm selama 20 menit. Kemudian masing-masing
peletnya diresuspensi dengan 75 ml media produksi yang mengandung glukosa 1%
dalam botol serum 100 ml dan dipasang pada bioreaktor (120 rpm, 30ºC, cahaya lampu
TL 60 watt). Hasil penelitian menunjukkan bahwa bakteri R. marinum mampu
memanfaatkan glukosa 1% untuk memproduksi gas hidrogen sebanyak 127.311 ml dari
205.25 ml total gas yang dihasilkan (62%) dengan kecepatan produksi 3.81
mmolH2jam-1L-1medium. Konsorsium bakteri isolat Sanur juga mampu memproduksi
103.61 ml gas hidrogen dari 165.25 ml total gas yang dihasilkan (63%) dengan
kecepatan produksi 2.8 mmol H2jam-1L-1medium.
ABSTRACT
MUHAMMAD SIDIQ HABIBI. Biohydrogen Production by Fermentation of
Photosynthetic Bacteria Rhodobium marinum and Sanur Isolate. Under the direction of
DJAROT SASONGKO HAMI SENO and DWI SUSILANINGSIH.
Bioenergy is renewable energy and prospective to be developed. It is not only can
reduce our dependence of fueloil, but also can increase safety of national stock energy.
Biohydroen is a type of bioenergy which used as fuel cell, industry necessity, and
nuclear. This research have focus on production of hydrogen gas by photofermentation
of Rhodobium marinum and bacteria consortium of Sanur isolate using glucose 1% as a
substrate. This photofermentation was done with R. marinum and Sanur isolate were
centrifuged (6000 rpm, 20 minutes). Then each pellet was resuspented in 75 ml
production medium which containing glucose 1% on 100 ml serum bottles and be seted
on bioreactor (120 rpm, 30ºC , TL light 60 watts). The result shown that R. marinum
ability to used glucose 1% to produce 127.311 ml hydrogen gas of 205.25 gas completly
that produced (62%) with production rate is 3.81 mmolH2h-1L-1medium. Bacteria
consortium of Sanur isolate also can produce 103.61 ml hydrogen gas of 165.25 ml gas
completly that produced (63%) with production rate is 2.8 mmolH2h-1L-1medium.
PRODUKSI BIOHIDROGEN MELALUI FERMENTASI BAKTERI
FOTOSINTETIK Rhodobium marinum DAN ISOLAT SANUR
MUHAMMAD SIDIQ HABIBI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Program Studi Biokimia
PROGRAM STUDI BIOKIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
5
Judul Skripsi
Nama
NIM
: Produksi Biohidrogen melalui Fermentasi Bakteri Fotosintetik
Rhodobium marinum dan Isolat Sanur
: Muhammad Sidiq Habibi
: G44104003
Disetujui
Komisi Pembimbing
Drs. Djarot Sasongko Hami Seno, M.S
Ketua
Dr. Dwi Susilaningsih, M. Pharm
Anggota
Diketahui
Dr. drh. Hasim, DEA
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Tanggal Lulus:
6
PRAKATA
Alhamdulillah penulis panjatkan atas karunia yang diberikan oleh Allah
SWT sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini yang berjudul
Produksi Biohidrogen melalui Fermentasi Bakteri Fotosintetik Rhodobium
marinum dan Isolat Sanur. Penelitian dilaksanakan pada bulan Maret 2008 sampai
September 2008 di Laboratorium Bioproses, Pusat Penelitian Bioteknologi,
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), Cibinong; Jalan Raya Bogor Km 46
Cibinong, Bogor.
Terima kasih penulis sampaikan kepada Bapak Drs. Djarot Sasongko Hami
Seno, MS dan Dr. Dwi Susilaningsih, M. Pharm selaku pembimbing atas segala
arahan, bimbingan, dan fasilitas selama penelitian, serta kepada Lembaga Ilmu
Pengetahuan Indonesia (LIPI) yang telah mendanai penelitian ini. Di samping itu,
penghargaan penulis sampaikan kepada Bu Mega, Mas Anam, Mas Swastika, Mas
Asep, Mas Diki, Mbak Umi, Mbak Dian, Mbak Lina, Mbak Lia, Mbak Riesa,
Yestyani Ana Anggraeny, dan seluruh staf di Laboratorium Bioproses, Pusat
Penelitian Bioteknologi LIPI, serta teman-teman PS Biokimia khususnya
angkatan 41 atas segala bantuan dan kerjasamanya. Ucapan terma kasih yang tak
terhingga kepada Ayah, Ibu, serta seluruh keluarga atas segala doa dan kasih
sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan.
Bogor, Maret 2009
Muhammad Sidiq Habibi
7
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bumiayu pada tanggal 21 September 1984 sebagai
anak keenam dari pasangan Bapak Mahmuri dan Ibu Tarsem. Tahun 2004 penulis
lulus dari SMUN 1 Bumiayu dan pada tahun yang sama penulis diterima masuk di
Program Studi Biokimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI).
Selama menjadi mahasiswa aktif di IPB, penulis menjadi staf Departemen
Biokimia Tumbuhan Community of Research and Education in Biochemistry
(CREB’s) pada periode 2005-2006, dan Koordinator Dewan Pengawas CREB’s
bidang keilmuan pada periode 2006-2007. Penulis juga pernah menjadi wakil
ketua Tim Ekonomi DKM Al-Ghifari IPB pada periode 2006-2007. Penulis aktif
berpartisipasi dalam perlombaan Program Kreatifitas Mahasiswa (PKM) yang
didanai DIKTI, diantaranya PKM-Teknologi dengan judul Pemanfaatan Zeolit
dan Khitosan dalam Pengolahan Bahan Baku Air Minum (2007), PKM-Penelitian
degan judul Khitosan sebagai Bahan Antibakteri (2008), PKM-Teknologi dengan
judul Kertas Antibakteri Berbasis Khitosan (2008), dan PKM-Teknologi dengan
judul Teknologi Desalinisasi Air Laut Menggunakan Campuran Khitosan, Zeolit,
dan Arang Aktif (2008). Penulis juga menjadi finalis Pemilihan Peneliti Remaja
Indonesia VII yang diselenggarakan oleh Lembaga Ilmu pengetahuan Indonesia
(LIPI) pada tahun 2008 dan pada tahun yang sama penulis berhasil menjadi
peserta program Iptek Remaja yang diselenggarakan oleh Kementrian Negara
Riset dan Teknologi, Republik Indonesia. Penulis juga pernah melaksanakan
Praktik Lapangan (PL) di Laboratorium Bioproses, Pusat Penelitian BioteknologiLIPI Cibinong selama periode Juli sampai Agustus 2007, dan menulis karya
ilmiah yang berjudul Produksi Biohidrogen melalui Fermentasi Bakteri
Fotosintetik Rhodobium marinum dan Isolat Sanur.
8
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix
DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................
ix
PENDAHULUAN ................................................................................................ 1
TINJAUAN PUSTAKA
Biohidrogen.................................................................................................
Mikroorganisme Penghasl Gas hidrogen ....................................................
Proses Produksi Biohidrogen ......................................................................
Fermentasi ...................................................................................................
Kromatografi Gas ........................................................................................
1
2
3
3
4
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat ............................................................................................ 5
Metode Percobaan ....................................................................................... 5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pertumbuhan Bakteri Fotosintetik R. marinum dan Isolat Sanur ................ 6
Kandungan Gula Total ................................................................................... 7
Gas Hasil Fermentasi................................................................................... 8
Analisis Gas Hasil Fermentasi dengan Kromatografi Gas .......................... 8
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan ........................................................................................................ 8
Saran .............................................................................................................. 8
DAFTAR PUSTAKA............................................................................................. 9
LAMPIRAN ......................................................................................................... 11
9
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Fotofermentasi bakteri fotosintetik ................................................................ 3
2 Pertumbuhan bakteri R. marinum dan isolat Sanur ........................................ 7
3 Kadar gula media produksi selama proses fermentasi................... ................ 7
4 Hubungan kadar gula medium dan OD bakteri R. marinum dan isolat Sanur 7
5 Gas total yang dihasikan selama fotofermentasi ............................................... 8
6 Jumlah gas hasil fermentasi ............................................................................ 8
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Alur penelitian ................................................................................................ 12
2 Kuantifikasi media lenglap dengan fungsinya ............................................... 13
3 Fotobioreaktor sederhana produksi hidrogen ................................................. 13
4 Hubungan OD bakteri dan pH medium terhadap waktu ................................ 14
5 Kurva standar gula total ................................................................................. 14
6 Data hasil pengukuran gula total sampel ........................................................ 14
7 Data hasil pengamatan gas produk fotofermentasi......................................... 15
8 Data hasil pengukuran gas H2 produk fotofermentasi dengan GC ................. 16
9 Gas hidrogen yang dihasilkan selama fotofermentasi ..................................... 17
10 Korelasi kadar gula total dan jumlah gas H2 terhadap waktu fermentasi ....... 19
11 Kromatogram hasil analisis gas hidrogen sampel produk fermentasi dengan
menggunakan GC ........................................................................................... 20
1
PENDAHULUAN
Laju pertumbuhan penduduk dan tingkat
ekonomi yang semakin meningkat, serta
perkembangan teknologi yang semakin pesat
dari waktu ke waktu mengakibatkan dunia
(termasuk Indonesia) membutuhkan energi
yang sangat besar. Bahan bakar fosil seperti
minyak bumi dan batu bara merupakan
sumber energi utama. Permintaan akan bahan
bakar tersebut yang semakin meningkat
menyebabkan terjadinya eksplorasi dan
eksploitasi sumber energi berbahan bakar fosil
secara besar-besaran. Eksploitasi energi yang
berlebihan dari sumber daya alam terutama
minyak bumi selama ini menyebabkan
menipisnya kandungan minyak bumi tersebut,
menimbulkan
kerusakan
lingkungan,
perubahan iklim global, dan krisis energi di
seluruh dunia (Bockris 2002).
Krisis energi dan kerusakan lingkungan ini
memerlukan penanganan serius. Usaha
mengurangi
dampak
negatif
terhadap
lingkungan dan pengembangan sumber energi
alternatif termasuk bioenergi terus diupayakan
dan dilakukan. Bioenergi merupakan energi
terbarukan yang berasal dari biomassa (Liu &
Shen 2004). Bioenergi ini adalah salah satu
bentuk energi alternatif yang prospektif untuk
dikembangkan. Pengembangan bioenergi ini
tidak hanya dapat mengurangi ketergantungan
terhadap bahan bakar minyak yang harganya
terus melambung, tetapi juga dapat
meningkatkan keamanan pasokan energi
nasional. Perhatian masyarakat dunia yang
semakin meningkat pada penggunaan bahan
bakar yang ramah lingkungan menjadikan
pengembangan bioenergi sangat strategis dan
perlu direalisasikan (Sirait 2007). Oleh karena
itu, energi alternatif yang dapat diperbaharui
(renewable energy) dan aman lingkungan
(green energy) sangat dibutuhkan dan sangat
penting untuk diupayakan serta dioptimalkan
pengolahan dan penggunaannya.
Hidrogen merupakan salah satu pilihan
energi alternatif karena mudah dikonversi dan
tidak merusak lingkungan baik dalam proses
pembuatan maupun penggunaannya. Hidrogen
adalah unsur paling ringan, sangat mudah
terbakar, dan paling banyak terdapat di alam
semesta. Unsur ini dikandung oleh air dan
semua senyawa organik serta makhluk hidup
(Mohsin 2007).
Biohidrogen adalah hidrogen yang
diproduksi melalui proses biologis atau dari
biomassa. Biohidrogen dapat dikembangkan
di Indonesia karena bahan bakunya cukup
tersedia. Biohidrogen diproduksi dengan
memanfaatkan organisme bakteri melalui
proses fermentasi atau fotoproduksi untuk
merombak substrat organik (limbah atau
nonlimbah) menjadi energi hidrogen (Sirait
2007).
Salah satu mikroorganisme yang mampu
memproduksi hidrogen adalah bakteri
fotosintetik, seperti Rhodobium marinum dan
Rhodobacter sphaeroides (Kawaguchi 2005).
Bakteri fotosintetik mampu mengubah
senyawa organik menjadi gas hidrogen
dengan adanya energi cahaya.
Banyak tantangan teknis yang dihadapkan
pada masa transisi dari bahan bakar berbasis
fosil ke bahan bakar berbasis biohidrogen ini,
mulai dari produksi dengan kuantitas
memadai, penyimpanan, transmisi, dan
distribusinya (Dunn 2002). Oleh karena itu,
penelitian ini menjadi salah satu bagian dari
transisi menuju penggunaan bahan bakar
berbasis biohidrogen.
Penelitian ini bertujuan memproduksi
biohidrogen dengan menggunakan glukosa
1% sebagai bahan baku substrat fermentasi
oleh bakteri fotosintetik Rhodobium marinum
dan isolat Sanur (koleksi Biotechnology
culture collection (BTCC)). Hipotesisnya
adalah
fermentasi
bakteri
fotosintetik
Rhodobium marinum dan isolat Sanur (koleksi
BTCC) dengan substrat glukosa 1% dapat
menghasilkan biohidrogen.
TINJAUAN PUSTAKA
Biohidrogen
Hidrogen dikenal luas sebagai sumber
energi yang bersih dan efisien. Gas ini
memiliki kandungan energi tertinggi (143
Gjton-1) per unitnya dan merupakan bahan
bakar yang tidak terikat secara kimia dengan
karbon (Purwanto 2005). Dengan demikian,
pembakaran
hidrogen
tidak
akan
menimbulkan efek rumah kaca, penipisan
lapisan ozon, atau hujan asam. Hal tersebut
dikarenakan proses pembakarannya di udara
hanya menghasilkan uap air dan energi panas
(Nath & Das 2004).
Hidrogen merupakan sumber energi
alternatif yang bisa diproduksi dari sumber
yang
terbarukan,
seperti
biomassa.
Biohidrogen adalah hidrogen yang diproduksi
melalui proses biologis atau dari biomassa
(Zaborsky et al. 1998). Selain sumber
penghasilnya melimpah, biohidrogen juga
ramah lingkungan. Hidrogen dapat diproduksi
oleh mikroba melalui dua cara, yaitu
perubahan secara fotobiologis dan melalui
teknik fermentasi (Sirait 2007). Teknik yang
2
pertama hanya dapat dilakukan pada siang
hari, yaitu ketika adanya matahari. Hal ini
dikarenakan
mikroba
fotosintetik
menggunakan energi dari sinar matahari
sebagai sumber energi mereka. Akan tetapi,
teknik yang kedua dapat berlangsung pada
siang maupun malam hari (dalam keadaan
gelap). Hal ini tergantung pada tipe mikroba
yang digunakan dalam fermentasi. Sebagian
besar bakteri aerob dan anaerob memproduksi
biohidrogen dengan pendekatan fotosintesis
dan fermentasi (fotofermentasi) (Rahman et
al. 1997).
Beberapa keunggulan dari Biohidrogen
antara lain: dapat diperbarui (renewable
energy) dan ramah lingkungan (green energy)
(Zaborsky et al. 1998), hasil samping
pembakarannya berupa uap air sehingga tidak
menimbulkan efek rumah kaca, hujan asam,
dan penipisan lapisan ozon (Nath & Das
2004), proses produksi dapat berlangsung
pada tekanan dan suhu normal (Purwanto
2005), biaya produksi lebih rendah
dibandingkan dengan cara fisik dan kimia
(Nakashimada
2004),
dan
dapat
memanfaatkan limbah dan sampah organik
sebagai substrat fermentasi (Liu & Shen
2004). Adapun kendala yang dihadapi untuk
energi alternatif ini adalah persetujuan publik,
penanaman modal yang besar dan harga
hidrogen saat ini yang masih jauh lebih mahal
dibandingkan bahan bakar lainnya. Namun
demikian, hidrogen dapat diproduksi dengan
teknologi yang lebih murah dan mudah, yaitu
dengan memanfaatkan organisme bakteri
melalui proses fermentasi atau fotoproduksi,
untuk merombak substrat organik (limbah dan
nonlimbah) menjadi energi hidrogen (Sirait
2007).
Mikroorganisme Penghasil Gas Hidrogen
Hidrogen yang diproduksi oleh mikroalga
dan bakteri disebut biohidrogen. Bakteri dan
mikroalga yang sering digunakan untuk
penelitian tersebut adalah bakteri anaerob dan
mikroorganisme fotosintetik seperti bakteri
fotosintetik dan sianobakteria. Sianobakteria
dapat menguraikan air menjadi hidrogen dan
oksigen dengan bantuan energi cahaya (Sirait
2007). Keuntungan organisme ini dalam
memproduksi
hidrogen
adalah
tidak
menggunakan senyawa organik sebagai
substrat tetapi menggunakan sinar matahari.
Kelemahannya adalah produksi hidrogennya
lambat, sistem reaksinya membutuhkan energi
yang besar, dan pemisahan gas hidrogen dan
oksigen membutuhkan penanganan yang
khusus. Reaksi biofotolisis dari organisme ini
adalah sebagai berikut (Zaborsky et al. 1998):
Cahaya
H2O
0.5 O2 + H2 ? G = - 242 kJ
Bakteri anaerob tidak menggunakan air
sebagai senyawa penghasil biohidrogen
namun menggunakan senyawa organik.
Keuntungan dari bakteri ini adalah reaksi
pembentukan hidrogen yang cepat dan tidak
memerlukan energi matahari. Kelemahan dari
bakteri ini dalam memproduksi gas hidrogen
adalah hasil dekomposisi/penguraian senyawa
organik tersebut meninggalkan asam-asam
organik seperti asam asetat, asam butirat, dan
lain-lain. Asam organik tersebut menjadi
masalah baru jika tujuan dari produksi adalah
untuk menanggulangi limbah (Zaborsky et al.
1998).
Bakteri
fotosintetik
membutuhkan
senyawa organik untuk memproduksi
hidrogen dan energi cahaya untuk membantu
reaksi energi yang terlibat dalam produksi
hidrogen.
Keuntungan
bakteri
ini
dibandingkan pada sianobakteri yaitu energi
yang dibutuhkan untuk produksi hidrogen
lebih kecil karena adanya peran senyawa
organik. Senyawa organik yang dapat
digunakan oleh bakteri ini sebagai substrat
untuk produksi hidrogen adalah asam lemak,
gula, tepung, selulosa, dan lainnya (Sirait
2007).
Bakteri
fotosintetik
dalam
memproduksi hidrogen melibatkan substrat
senyawa organik, fotosistem I, feridoksin, dan
enzim nitrogenase. Reaksi produksi hidrogen
dari substrat glukosa oleh bakteri fotosintetik
adalah sebagai berikut (Zaborsky et al. 1998):
Glukosa + 2H2O
6CO2 +12H2 ?G=-33.8 kJ
Ada berbagai macam mikroorganisme
yang dapat menghasilkan biohdrogen (Miyake
1998, diacu dalam Zaborsky et al. 1998), baik
yang
fotosintetik
maupun
yang
nonfotosintetik. Bakteri yang termasuk
fotosintetik antara lain Rhodopseudomonas
Rhodobacter, Anabaena, Chlamydomonas,
Chromatium, dan Thiocapsa. Sedangkan yang
termasuk nonfotosintetik antar lain Klebsiella,
Clostridium,
Enterobacter,
Azotobacter,
Metanobacteria, dan Eschericia coli. (Miyake
1998, diacu dalam Zaborsky et al. 1998).
Salah satu contoh bakteri fotosintetik
adalah Rhodopseudomonas marina atau yang
lebih dikenal dengan nama Rhodobium
marinum. Bakteri ini termasuk bakteri gram
negatif,
berbentuk
batang,
bergerak,
fotoheterotrop anaerob fakultatif, dan
3
memproduksi warna merah (Hirashi et al.
1995). Rhodobium marinum (R. Marinum)
diisolasi dari laut pada tahun 1995 (Sirait
2007). Enzim yang terlibat pada fotosintetik
produksi hidrogen oleh bakteri ini adalah
enzim nitrogenase. Isolat Sanur merupakan
konsorsium bakteri fotosintetik yang diisolasi
dari air laut pantai Sanur, Bali. Bakteri
dominan yang ada dalam isolat ini adalah R.
marinum sehingga isolat tersebut berwarna
merah.
Telah dilaporkan beberapa penelitian
mengenai
produksi
gas
hidrogen
menggunakan
bakteri
fotosintetik,
di
antaranya: Rhodobium Marinum A-150 pada
substrat asam laktat (Kawaguchi 2001),
Rhodobacter sphaeroides pada limbah cair
pabrik susu (Turkaslan 1998, diacu dalam
Sirait 2007), dan Rhodobacter sphaeroides
pada limbah cair tahu (Zhu 1999). Penelitianpenelitian yang telah dilakukan tersebut
merupakan acuan dari penelitian ini, sehingga
dapat disimpulkan bahwa bakteri fotosintetik
merupakan pilihan utama di dalam
pemanfaatan limbah hasil perkebunan yang
mengandung asam-asam organik.
dari asam organik menjadi gas hidrogen (H2)
dan karbon dioksia (CO2) (Gambar 1).
Fotosistem bakteri ini tidak menghasilkan
oksigen (O2) sehingga tidak menghambat
kerja enzim nitrogenase, mengingat enzim
nitrogenase
sensitif
terhadap
oksigen
(Akkerman 2002).
Gambar 1 Fotofermentasi bakteri fotosintetik
(Akkerman 2002). Keterangan:
PS = fotosistem, C = plastosianin,
Q = kuinon, dan Cyt = sitokrom.
Proses Produksi Biohidrogen
Fermentasi
Gas hidrogen yang diproduksi oleh
bakteri fotosintetik dihasilkan melalui proses
fotofermentasi. Fotosistem pada bakteri
fotosintetik hanya melibatkan satu fotosistem
(PS1). Fotosistem terjadi dalam membran
intraseluler. Fotosistem pada bakteri ini tidak
cukup kuat untuk memecah air. Pada kondisi
anaerob, bakteri fotosintetik dapat dengan
baik menggunakan asam organik sederhana
seperti asam asetat sebagai donor elektron
(Sirait 2007).
Elektron yang dilepaskan dari senyawa
organik akan dipompakan oleh sejumlah besar
pembawa elektron (diantara kuinon dan
plastosianin). Selama transport elektron,
proton dipompakan melewati membran
(dalam kompleks protein sitokrom bc1)
sehingga terjadi gradien proton. Gradien
proton yang terjadi digunakan oleh enzin ATP
sintase untuk menghasilkan ATP. Energi ATP
yang terbentuk dapat digunakan untuk
transport lebih jauh elektron ke elektron
akseptor feridoksin (Fd) (Chen et al. 2005).
Jika molekul nitrogen tidak ada, maka
enzim nitrogenase dapat mereduksi proton
menjadi gas hidrogen (H2) dibantu dengan
energi dalam bentuk ATP dan elektron yang
diperoleh dari feridoksin (Fd) (Chen et al..
2005). Secara keseluruhan fotosistem bakteri
fotosintetik ini mengubah komponen utama
Fermentasi merupakan proses penting
dalam kehidupan sehari-hari manusia.
Fermentasi berasal dari bahasa latin ferfere
yang
artinya
mendidihkan.
Hal ini
berdasarkan pengamatan sehari-hari bahwa
dalam proses fermentasi minuman beralkohol
akan menghasilkan buih yang kemudian satu
komponennya
diketahui
sebagai
gas
karbondioksida. Fermentasi secara umum
dapat dinyatakan sebagai proses katabolisme,
suatu pemecahan senyawa organik yang
kompleks menjadi bentuk yang lebih
sederhana. Aplikasi proses ini dapat dilihat
pada produksi minuman beralkohol atau
produk yang bersifat asam (seperti asam asetat
atau cuka) (Hidayat 2006). Pengetahuan
mengenai proses ini berkembang pesat sejak
penelitian Louis Pasteur mengenai proses
fermentasi yang terjadi dalam pembuatan wine
(anggur). Penelitian mengenai proses ini
berkembang pesat semenjak tumbuhnya
industri minuman beralkohol dan industri
antibiotik.
Aplikasi metode ini diawali dengan
pembuatan bir sekitar 6.000 tahun sebelum
Masehi. Pembuatan roti dengan bantuan
khamir atau ragi diperkirakan sudah terjadi
sejak 4.000 tahun sebelum Masehi (Pelczar &
Chan 1986). Pembuatan produk fermentasi
4
kecap dan tauco di Cina telah dilakukan sejak
722
SM. Fermentasi anggur mulai
berkembang kira-kira abad ke-17 dengan
menggunakan
bakteri
Acetobacter
menghasilkan asam asetat (asam cuka)
(Hidayat 2006). Kemudian pada tahun 1817
mulai diproduksi enzim dari tumbuhan dan
jaringan hewan yang dapat memecah zat pati
menjadi maltosa. Begitu juga enzim dari
khamir yang dapat memecahkan sukrosa
menjadi glukosa dan fruktosa ditemukan pada
tahun 1817.
Fermentasi
terbagi
menjadi
dua
berdasarkan kebutuhan akan oksigen, yaitu
fermentasi aerobik dan anaerobik. Fermentasi
aerobik adalah fermentasi yang prosesnya
memerlukan oksigen. Keberadaan oksigen
membuat mikroorganisme dapat mencerna
glukosa menghasilkan air, karbondioksida dan
sejumlah besar energi. Fermentasi dalam
proses anaerobik tidak memerlukan oksigen.
Ada berbagai produk (metabolit) yang bisa
dihasilkan dalam proses fermentasi, antara
lain berbagai jenis asam (asam laktat, asetat,
asam butirat), alkohol, etanol, protein, dan
ester (Dunn 1959). Produk suatu hasil
fermentasi dapat diubah lebih lanjut melalui
proses fermentasi lain untuk menghasilkan
produk akhir yang lain, seperti gas hidrogen.
Ada tiga jenis sistem fermentasi yang
dioperasikan dalam proses bioteknologi, yaitu
sistem diskontinu (batch), kontinu, Dan
semikontinu (fed-batch) (Smith 1985). Pada
sistem diskontinu, pemberian medium, nutrisi,
dan bakteri dilakukan hanya di awal
fermentasi (tidak ada penambahan medium,
nutrisi, dan bakteri selama fermentasi
berlangsung). Sedangkan pada sistem kontinu,
pemberian medium dan nutrisi serta
pengeluaran sejumlah fraksi dari volume
kultur terjadi secara terus-menerus. Sistem
semikontinu adalah suatu sistem fermentasi
yang medium atau substratnya ditambahkan
secara kontinu selama fermentasi berlangsung
tanpa mengeluarkan sesuatu dari sistem
(Smith 1985).
Kromatografi Gas (GC)
Analisis kromatografi gas adalah suatu
metode analisis pemisahan komponen kimia
secara fisika. Komponen - komponen yang
akan dipisahkan didistribusikan di antara dua
fase, yaitu fase diam dan fase gerak. Fase
gerak dapat berupa gas atau cairan dan fase
diam dapat berupa padatan atau cairan (Black
& Read 1997). Fase gerak berfungsi
membawa sampel sedangkan fase diam
berfungsi
untuk
mengadsorpsi
atau
mempartisi komponen.
Peralatan kromatografi gas terdiri atas
injektor, kolom, detektor, pemanas (oven),
amplifier, rekorder, gas pembawa, dan
pengatur aliran dan tekanan (Black &Read
1997). Injektor berfungsi sebagai tempat
masuknya sampel yang dirancang sedemikian
rupa sehingga sampel dapat langsung masuk
ke dalam kolom dengan perantaraan gas
pembawa. Kolom berfungsi memisahkan
komposisi sampel menjadi komponenkomponennya sehingga dapat terelusi dalam
waktu yang berbeda. Detektor berfungsi untuk
mendeteksi komponen yang keluar dari
kolom. Pemanas berfungsi untuk memanaskan
injektor, kolom dan detektor untuk injektor,
kolom dan detektor yang dilengkapi dengan
thermostate. Amplifier berfungsi untuk
memperbesar sinyal arus listrik yang berasal
dari detektor. Rekorder berfungsi sebagai
pencatat hasil dalam bentuk kromatogram.
Gas pembawa berfungsi sebagai pembawa gas
sampel. Gas pembawa yang umum digunakan
adalah Helium (He), Nitrogen (N2) dan Argon
(Ar) (Black &Read 1997). Pengatur aliran dan
tekanan berfungsi sebagai pengatur tekanan
yang dapat menentukan kecepatan alir gas
pembawa.
Prinsip kerja pada GC, yaitu sampel
diinjeksikan ke dalam injektor kemudian
diangkut oleh gas pembawa masuk ke dalam
kolom yang berisi padatan sebagai fase diam
(Black & Read 1997). Fase diam memiliki
sifat dapat berinteraksi dengan komponenkomponen dalam sampel sehingga dapat
menghambat
laju
alir
masing-masing
komponen. Besarnya hambatan untuk masingmasing komponen berbeda-beda sehingga
sesampai di ujung kolom tidak bersamaan
melainkan satu persatu (Black & Read 1997).
Komponen yang keluar dari kolom dilewatkan
ke detektor sedangkan sinyal dari detektor
dikirim melalui amplifier ke rekorder dan
dicatat sebagai kromatogram.
Agar peralatan kromatografi gas bisa
bekerja dengan maksimal, maka perlu
dilakukan optimasi suhu seperti suhu injektor,
kolom, dan detektor (Sudarmadji et al. 1997).
Injektor selain berfungsi untuk tempat
masuknya sampel, juga berfungsi untuk
mengubah sampel yang berfase cair atau padat
menjadi gas tanpa terjadi dekomposisi. Pada
umumnya suhu injektor kira-kira 50 oC lebih
tinggi dari titik didih komponen sampel yang
mempunyai titik didih paling tinggi. Bila titik
didih komponen belum diketahui, dapat
dilakukan secara coba-coba (trial), dengan
memulai suhu injektor rendah kemudian
5
dinaikkan. Jika diperoleh puncak-puncak
kromatogram lebih baik berarti suhu
percobaan pertama terlalu rendah sehingga
perlu dicoba kembali dengan cara menaikkan
suhu secara bertahap hingga mendapatkan
kondisi yang tepat. Namun demikian, suhu
injektor tidak boleh terlalu tinggi sebab ada
kemungkinan
terjadinya
dekomposisi
(penguraian
komponen
yang
hendak
dianalisis) (Sudarmadji et al. 1997).
Kolom merupakan perangkat yang
memiliki peranan penting dalam proses
analisis dengan metode kromatografi sehingga
pemilihan jenis kolom yang tepat dan kondisi
yang optimal sangat diperlukan. Pada
umumnya suhu kolom dibuat kurang lebih
sama dengan titik didih rata-rata dari seluruh
komponen dalam sampel (Black & Read
1997). Kontrol suhu pada detektor sangat
diperlukan terutama untuk detektor yang
sensitivitasnya dipengaruhi oleh adanya
fluktuasi suhu. Pada umumnya suhu detektor
dijaga 20-50 oC lebih tinggi dari suhu kolom,
hal ini agar uap sampel tidak terkondensasi
(Black & Read 1997).
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan antara lain
biakan bakteri fotosintetik Rhodobium
marinum NBRC (NITE Biological Resource
Center) No. 100434, biakan bakteri
fotosintetik isolat Sanur yang merupakan
koleksi Biotechnology culture collection
(BTCC), Larutan NaOH 0.6 N, larutan HCl
0.3 N, Akuades, air
steril (mili-Q),
D(+)Glukosa (Merck), ekstrak ragi, K2HPO4,
KH2PO4,
MgSO4.7H2O,
MnCl2.4H2O,
FeSO4.7H2O, NaCl, natrium suksinat,
amonium asetat, larutan feri sitrat (0.1%),
NH4Cl, CaCl2.2H2O, ZnSO4.7H2O, H3BO3,
CoCl2.6H2O,
CuCl2.2H2O,
NiCl2.6H2O,
Na2MoO4.2H2O, etanol, larutan stok glukosa
1000 ppm, amonium sulfat, larutan MEM
Vit. 100X, EDTA.2Na, Na2S.9H2O, NaHCO3,
kertas aluminium foil, plastik tahan panas,
karet, asam sulfat pekat, larutan fenol 5%,
kertas saring, dan kapas.
Peralatan yang digunakan adalah penangas
air, spektrofotometer UV-Vis (Beckman DU
650), sentrifus (Jouan MR 1812), autoklaf
(Everlight TA-630), laminar air flow cabinet,
shaker, rak tabung, tabung reaksi, falcon 50
ml, gelas piala, kertas saring, labu Erlenmeyer
(100 ml, 250 ml, 300 ml, dan 500 ml), pH
meter HM-30G, Sensor hidrogen H2 Scan
model 2240, kromatografi gas (GC) HP 5890,
neraca analitik, botol schott, vorteks, dan
autopipet.
Metode Percobaan
Media Tumbuh Bakteri Fotosintetik R.
marinum dan Isolat Sanur (Uchino 2006)
Mula-mula dibuat media dasar dengan
komposisi: 0.3 g ekstrak ragi, 1 g natrium
suksinat, 0.5 g amonium asetat, 5 ml larutan
feri sitrat (0.1%), 0.5 g KH2PO4, 0.5 g
MgSO4.7H2O, 0.4 g NaCl, 0.4 g NH4Cl, 0.05
g CaCl2.2H2O, 1 ml trace element solution
SL-6 (komposisi: 100 mg ZnSO4.7H2O, 30
mg MnCl2.4H2O, 300 mg H3BO3, 200 mg
CoCl2.6H2O, 10 mg CuCl2.2H2O, 20 mg
NiCl2.6H2O, dan 30 mg Na2MoO4.2H2O,
dalam 1L akuades). Kemudian media dasar ini
dilarutkan dalam 1 L akuades dan diaduk
hingga homogen serta disesuaikan pH-nya
hingga 6,8. Setelah itu, media tersebut
disterilisasi (autoklaf 121ºC selama 15 menit).
Media steril ini setelah dingin kemudian
ditambahkan 0.5 ml etanol, 10 ml MEM Vit.
Solution 100X, dan 5 ml larutan Na2S (1.5 g
Na2S.9H2O dilarutkan dalam 100 ml akuades
dalam botol serum bertutup karet butil. Udara
dalam botol tersebut dibebaskan dengan
memasukkan gas N2 (1800 kg/cm2 selama 30
menit). Setelah itu disterilisasi dalam autoklaf
121ºC selama 15 menit, kemudian diatur pHnya hingga pH 7.3 dengan menambahkan
H2SO4 2N steril. Larutan dikocok untuk
menghindari pengendapan hingga dihasilkan
larutan akhir berwarna kuning transparan).
Media tumbuh ini siap digunakan.
Kultivasi Bakteri R. marinum dan Bakteri
Isolat Sanur (Sirait 2007)
Sebanyak 2 ml suspensi bakteri R.
marinum dan bakteri isolat Sanur masingmasing ditambahkan ke dalam tabung betutup
yang berbeda yang sudah berisi 8 ml media
tumbuh. Kemudian dikocok hingga merata.
Setelah itu, diinkubasi pada suhu 30 ºC di
inkubator goyang selama 3 hari. Optical
density (OD) suspensi bakteri tersebut diukur
setiap hari hingga hari ke-3 (dari jam ke-0
sampai jam ke-76) dengan menggunakan
spektrofotometer UV-Vis pada panjang
gelombang 660 nm. Kemudian 10 ml suspensi
bakteri tersebut disuntikkan ke dalam 100 ml
media kultur. Kultur bakteri ini diinkubasi
pada suhu 30 ºC di inkubator goyang selama 3
hari. Kultur tersebut siap dipanen untuk
digunakan dalam fermentasi produksi
hidrogen.
6
Fermentasi Bakteri Fotosintetik untuk
Produksi Gas Hidrogen (Zaborsky et al.
1998, Kawaguchi 2001)
Fermentasi
produksi
hidrogen
ini
dilakukan secara fotofermentasi dengan
sistem fermentasi diskontinu (batch). Kultur
bakteri R. Marinum dan bakteri isolat Sanur
(umur 3 hari) disentrifugasi pada 6000 rpm
selama 20 menit. Kemudian peletnya masingmasing diresuspensi dengan 20 ml media
produksi (sebanyak 2 mg EDTA.2Na
dimasukkan ke dalam botol schoot 1 L.
Kemudian ditambahkan 2.8 mg H3BO3, 0.75
mg Na2MoO4.2H2O, 0.24 mg ZnSO4.7H2O,
2.1 mg MnCl2.4H2O, 0.04 mg CuCl2.2H2O, 10
mg FeSO4.7H2O, 0.75 mg CaCl2.2H2O, 200
mg MgSO4.7H2O, dan akuades hingga volume
akhir menjadi 1 L. Kemudian media ini
disterilisasi dalam autoklaf 121ºC selama 15
menit). Sebanyak 10% (v/v) suspensi bakteri
tersebut dimasukkan ke dalam botol serum
100 ml yang sudah berisi 66 ml media
produksi, 0.75 ml buffer fosfat 16 % steril,
dan 0.75 ml larutan MEM vit. Sol 100X.
Setelah itu, dikocok hingga homogen dan
dipasang sedemikian rupa pada inkubator
goyang (120 rpm, suhu 30 ºC) dan diberi
cahaya dari empat lampu TL (60 watt) selama
48 jam (2 hari).
Pengambilan Sampel (Susilaningsih et al.
2008)
Tiap botol serum tersebut pada jam ke-0
dikonfirmasi kondisi pH, OD, dan kadar gula
totalnya dengan cara diambil 1 ml medium
dan dipindahkan dalam effendorf 1 ml dari
tiap botol. Setiap dua jam sekali pada
masing-masing
botol juga dilakukan
pengukuran pertambahan volume gas yang
dihasilkan dengan cara melihat langsung
perubahan volume air dalam tabung ukur
(penampung gas) yang disebabkan oleh
adanya tekanan gas hasil fotofermentasi.
Kemudian 1 ml gas tersebut diambil dengan
menggunakan sirynge khusus untuk diukur
gas hidrogennya dengan alat kromatografi gas
(GC).
Pengukuran Kadar Glukosa (Gula Total)
dengan Metode Phenol-Sulphuric Acid
(Asam Fenol Sulfat) (Dubois et al. 1956)
Hasil pengambilan sampel dari jam ke-0
sampai jam ke-40 disentrifugasi pada 6000
rpm selama 5 menit. Supernatan kemudian
diencerkan 100 kali. Kemudian diambil 0.5
mL dari larutan hasil pengenceran tersebut ke
dalam tabung reaksi kecil, setelah itu
ditambahkan fenol 5% sebanyak 0.5 mL dan
2.5 mL larutan H2SO4 lalu dikocok dengan
vortex. Setelah dikocok lalu didiamkan 10
menit dan diletakkan di dalam water bath
dengan suhu 40 0C selama 20 menit. Kadar
glukosa (gula total) dalam sampel dianalisis
dengan diukur absorbansinya menggunakan
spektrofotometer Vis 490 nm. Sebelumnya
dibuat standar glukosa dengan konsentrasi 10,
20, 40, 60, 80, 100, 120, dan 200 ppm.
Analisis
Gas
Hidrogen
dengan
Kromatografi Gas (GC) (Susilaningsih et
al. 2008)
Pengukuran produk fermentasi (gas H2)
dilakukan menggunakan GC dengan metode
detektor TCD (thermal conductivity detector).
Kolom yang digunakan adalah kolom
poropak, dengan temperatur injektor, detektor,
dan kolom masing-masing adalah 150, 250,
dan 80 0C. Gas pembawa yang digunakan
adalah gas nitrogen (N2). Sebanyak 1 ml
sampel diinjeksikan ke dalam kolom
kemudian hasilnya dapat dilihat pada layar
monitor setelah lima menit.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pertumbuhan Bakteri Fotosintetik
R. marinum dan Isolat Sanur
Pertumbuhan bakteri R. Marinum dan
isolat Sanur diamati dengan cara mengukur
optical density (OD) bakteri tersebut pada
panjang gelombang 660 nm dengan alat
spektrofotometer. Kurva pertumbuhan baketri
R. Marinum dan isolat Sanur menunjukkan
bahwa fase pertumbuhan logaritma atau
eksponensial bakteri tersebut terjadi pada jam
ke-2 hingga jam ke-18. Kedua bakteri tersebut
kemudian mengalami fase stasioner sampai
jam ke-30 (Gambar 2, data pada lampiran 4).
Hasil percobaan pertumbuhan bakteri R.
marinum dan isolat Sanur juga menunjukkan
bahwa kedua bakteri tersebut dapat tumbuh
pada media dengan substrat glukosa 1%.
Media tersebut ber-pH 6-7. Hal tersebut sesuai
dengan penelitian yang dilakukan oleh
Kawaguchi et al. (2001), yaitu efek pH
terhadap pertumbuhan bakteri fotosintetik dan
aktivitas enzim nitrogenase yang merupakan
enzim yang berperan dalam pembentukan gas
hidrogen, hasil penelitian tersebut menyatakan
bahwa pH optimal untuk pertumbuhan bakteri
R. marinum adalah pH 6-7.
Pertumbuhan mikrob dapat ditandai
dengan peningkatan jumlah dan massa sel.
Pertumbuhan bakteri membentuk pola
pembelahan biner (Pelczar & Chan 1986).
7
Kurva Pertumbuhan Bakteri
O D 660 n m
0.6
fotosintetik Rubrivivax gelatinosus L31
mampu mendegradasi glukosa sebesar 69.2%
untuk produksi biohidrogen. Sirait (2007) juga
melaporkan bahwa gula total dapat dikonversi
menjadi biohidrogen sebesar 52.74% oleh
bakteri fotosintetik R. marinum.
Bakteri R. marinum dan isolat Sanur
memanfaatkan gula sebagai substrat sehingga
menghasilkan produk berupa gas hidrogen
dari proses fermentasi tersebut. Kandungan
gula yang terdapat pada masing-masing media
produksi mengalami penurunan selama
fermentasi berlangsung seiring dengan
peningkatan OD bakteri (Gambar 4, data dan
perhitungan pada lampiran 4 & 6).
Penurunan kadar gula secara drastis pada
media yang berisi R. marinum terjadi sampai
jam ke-22, proporsional dengan pertumbuhan
bakteri tersebut yang sedang mengalami fase
logaritmik hingga jam ke-22. Hal yang sama
juga terjadi pada media yang berisi isolat
Sanur, penurunan kadar gula media secara
drastis dan pertumbuhan bakteri mencapai
fase logritmik juga terjadi sampai jam ke-22.
Glukosa 1%
[Gula Total] (ppm)
Kurva pertumbuhan bakteri terdiri atas
beberapa fase, yaitu fase lag, fase log, fase
stasioner, dan fase kematian.
Pertumbuhan bakteri dimulai dari fase
lamban atau lag. Ciri-ciri fase ini adalah tidak
ada pertumbuhan populasi, sel mengalami
perubahan komposisi kimiawi, bertambah
ukurannya, dan substansi intraselulernya
bertambah. Fase berikutnya adalah fase
pertumbuhan logaritma atau eksponensial. Sel
dalam fase ini membelah dengan laju yang
konstan, massa menjadi dua kali lipat dengan
laju yang sama, aktivitas metabolik seimbang,
dan pertumbuhan seimbang yang ditandai
dengan bertambahnya populasi secara teratur.
Fase pertumbuhan selanjutnya adalah fase
stasioner. Fase ini ditandai dengan habisnya
nutrisi yang dibutuhkan oleh bakteri untuk
pertumbuhannya. Hal ini ditandai dengan
diproduksinya senyawa atau produk racun
yang menyebabkan beberapa sel bakteri mati
sedangkan yang lain tumbuh dan membelah
secara teratur sehingga jumlah sel yang hidup
menjadi tetap. Fase selanjutnya adalah fase
kematian atau penurunan pertumbuhan yang
ditandai dengan sel-sel bakteri menjadi lebih
cepat mati daripada terbentuknya sel-sel baru
(Pelczar & Chan 1986).
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0.4
0
22
0.2
Kontrol
78
60
38
34
30
22
18
0
0
34
40
Waktu (Jam )
Waktu (jam )
Isolat Sanur
R. marinum
Isolat Sanur
Gambar 3 Kadar gula media produksi selama
proses fermentasi.
R.marinum
[Gula Total]
(ppm)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
8000
6000
4000
2000
0
0
22
34
40
Waktu (jam)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
10000
5000
0
0
22
34
OD 660
Isolat Sanur
15000
(ppm)
Hasil penentuan kadar gula selama
fermentasi (Gambar 3, data dan perhitungan
pada lampiran 6) menunjukkan bahwa
kandungan gula pada media produksi yang
berisi bakteri R. marinum menurun drastis dari
8626 ppm pada jam ke-0 menjadi 3147 ppm
pada jam ke-40. Demikian juga pada media
produksi yang berisi bakteri isolat Sanur,
kandungan gula menurun drastis dari 9811
ppm pada jam ke-0 menjadi 2961.5 ppm pada
jam ke-40. Bakteri R. marinum mampu
mendegradasi gula dalam media produksi
sebesar 63.52%, sedangkan isolat Sanur
mampu mendegradasi hingga 69.46%. Li dan
Fang (2008) melaporkan bahwa bakteri
[Gula Total]
Kandungan Gula Total
10000
OD 660
Rhodobium marinum
Gambar 2 Pertumbuhan bakteri R. Marinum
dan isolat Sanur.
40
Waktu (jam)
Kadar Gula
OD
Gambar 4 Hubungan kadar gula medium dan
OD bakteri R. marinum dan isolat
Sanur.
8
Gas Hasil Fermentasi
Produk yang dihasilkan dari fermentasi
ini berupa gas. Gas yang dihasilkan dari
fermentasi bakteri fotosintetik R. marinum
adalah gas H2 dan CO2 (Zaborsky et al. 1998).
Total gas yang dihasilkan oleh bakteri R.
marinum dalam penelitian ini adalah 205.25
ml, sedangkan total gas yang dihasilkan oleh
isolat sanur adalah 165.25 ml. Gas pada media
yang berisi bakteri R. marinum
mulai
diproduksi pada jam ke-2 dan berakhir pada
jam ke-18. Media yang berisi bakteri isolat
Sanur mulai memproduksi gas pada jam ke-6
sampai jam ke-20 (Gambar 5). Gas hasil
fermentasi, baik yang dihasilkan oleh bakteri
R. marinum maupun oleh bakteri isolat Sanur
tersebut kemudian dianalisis dengan GC untuk
mengetahui jumlah gas hidrogen yang
dihasilkan.
dengan menggunakan substrat glukosa
mampu menghasilkan gas hidrogen dengan
kecepatan rata-rata 5.3 ml H2 jam-1L-1
medium. Bakteri fotosintetik Rubrivivax
gelatinosus L31 mampu menghasilkan gas
hidrogen dari substrat glukosa dengan
kecepatan rata-rata 4.1 ml H2 jam-1L-1 medium
(Li & Fang 2008).
Isolat Sanur yang merupakan konsorsium
bakteri fotosintetik strain lokal sangat
potensial
untuk
dikembangkan
dan
dimanfaatkan dalam produksi biohidrogen.
Adanya bakteri fotosintetik strain lokal
tersebut diharapkan mampu meningkatkan
produktivitas gas biohidrogen (bioenergi)
nasional sehingga dapat menunjang keamanan
pasokan energi nasional.
Gas Hasil Fermentasi
Vo lu m e G as (m l)
250
Volume Gas (ml)
Gas Total Hasil Fotofermentasi
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Waktu (jam )
R. marinum
Isolat Sanur
205,25
200
150
165,25
127,311
103,61
100
50
0
R. marinum
Isolat sanur
Bakteri
Gas Produk Hidrogen
Gambar 6 Jumlah gas hasil fermentasi.
Gambar 5 Gas total yang dihasilkan selama
fotofermentasi.
Analisis Gas Hasil Fermentasi dengan GC
Gas hasil fermentasi bakteri R. marinum
dan
isolat
Sanur
dianalisis
dengan
menggunakan kromatografi gas (GC) HP
5890 dengan metode thermal conductivity
detector (TCD). Metode ini khusus digunakan
untuk mendeteksi gas yang dihasilkan namun
tidak dapat digunakan untuk mendeteksi asam
volatil dan cairan yang mudah menguap
lainnya.
Berdasarkan hasil analisis GC, gas hasil
fermentasi terdiri atas gas hidrogen (H2) dan
CO2. Gambar 6 menunjukkan bahwa gas
hidrogen yang dihasilkan oleh R. marinum
dengan substrat glukosa 1% adalah 127.311
ml (62% dari total gas yang dihasilkan), setara
dengan 3.81 mmol H2 jam-1 L-1 medium.
Konsorsium bakteri isolat Sanur dengan
substrat glukosa 1% juga dapat menghasilkan
gas hidrogen sebanyak 103.61 ml (63% dari
total gas yang dihasilkan), setara dengan 2.8
mmol H2 jam-1 L-1 medium. Ike et al. (1999)
melaporkan bahwa bakteri R. marinum
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Bakteri fotosintetik R. marinum dan isolat
Sanur mampu memproduksi gas biohidrogen
melalui proses fotofermentasi menggunakan
glukosa 1% sebagai substrat. Gas hidrogen
yang diproduksi oleh bakteri R. marinum
dalam fotofermentasi tersebut adalah 127.311
ml dari 205.25 ml total gas yang dihasilkan
(62%), dengan kecepatan produksi 3.81 mmol
H2 jam-1 L-1 medium. Isolat Sanur mampu
memproduksi gas hidrogen sebanyak 103.61
ml dari 165.25 ml total gas yang dihasilkan
(63%), dengan kecepatan produksi 2.8 mmol
H2 jam-1 L-1 medium .
Saran
Penelitian optimasi produksi biohidrogen
perlu dilakukan dengan melihat pengaruh
konsentrasi glukosa, suhu optimum, OD
bakteri optimum, dan instalasi fotobioreaktor
yang lebih baik untuk menghasilkan
biohidrogen yang maksimum.
9
effect using a kinetic model. J Bioscience
and Bioenginering 94: 62-69.
DAFTAR PUSTAKA
Akkerman I, M Janssen, J Rocha, RH
Wijffels. 2002. Photobiological hydrogen
production photochemical efficiency and
bioreactor design. J Hydrogen Energy
27: 1195-1208.
Black RM, Read RW. 1997. Application of
liquid
chromatography
atmospheric
pressure chemical ionization mass
spectrometry
and
tandem
mass
spectrometry to the analysis and
identification of degradation products of
chemical
warfare
agents.
J
Chromatography A 759: 79-92.
Bockris J. 2002. The origin of ideas on a
hydrogen economy andits solution to the
decay of the environment. Int J Hydrogen
Energy 27: 31-40.
Dunn CG, Prescott. 1959. Industrial
microbiology. New York: Mc Graw Hill.
Dunn S. 2002. Hydrogen futures: toward a
sustainable energy system. Int J
Hydrogen Energy 26: 13-28.
Hidayat MA. 2006. Fermentasi asam laktat
oleh Rhizopus oryzae pada substrat
singkong hasil hidrolisis asam [skripsi].
Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Pertanian
Bogor.
Hirashi A et al. 1995. A new genus of marine
budding phototropic bakteria, Rhodobium
gen Nov., which includes
Rhodobium
orienties sp. Nov and Rhodobium
marinum comb. Nov. J Systematic
Bacteriology 45:226-234.
Ike A et al. 1999. Photoproduction of
hydrogen from row starch using a
halophilic bacterial community. J Biosci
Bioeng 88: 72-78.
Kawaguchi H, K Hashimoto, K Hirata, K
Miyamoto. 2001. Hydrogen production
from algal biomass by a mixed culture of
R.. marinum A-501 and Lactobacillus
amylovorus.
J
Boscience
and
Bioenginering 91:27-282.
Kawaguchi et al. 2002. Effect of algal
extract on H2 production by a
photosintetic
bacterium
Rhodobium
marinum A-501: analysis of stimulating
Kawaguchi Y et al. 2005. Effect of Innoculum
Conditioning on Hydrogen Fermentation
and pH Effect on Bacterial Community
Relevant to Hydrogen Production. Osaka:
Kumamoto.
Li
RY, Fang HHP. 2008. Hydrogen
production
characteristics
of
photoheterotrophic
Rubrivivax
gelatinosus L31. Int J Hydrogen Energy
33: 974-980.
Liu G, Shen J. 2004. Effect of culture and
medium
condition
on
hydrogen
production of starch using anaerobic
bacteria. J Bioscience and bioenginering
98: 251-256.
Nakashimda Y, Nishio N. 2004. High rate
production of hydrogen/mathane from
various substrat and wastes. Adv.
Biochem. Engin. Biotechnol 90:63-67.
Nath K, Das D. 2004. Improvement of
fermentative
hydrogen
production:
various approaches. Appl
Microbiol
Biotechnol 65: 520-529.
Pelczar MJJr, Chan ECS.1986. Dasar-Dasar
Mikrobioligi.
Volume
ke-1,
2.
Hadioetomo RS, Imas T, Tjitrosomo SS,
Angka SL, penerjemah; Jakarta: UI Pr.
Terjemahan
dari:
Elements
of
Microbiology.
Purwanto J. 2005. Optimasi konsentrasi
gliserol dan pH untuk produksi
biohidrogen oleh Enterobacter aerogenes
AY-2
[skripsi].
Bogor:
Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Institut Pertanian Bogor.
Rahman MA, Furutani Y, Nakashimada Y,
Kakizono T, Nishio N. 1997. Enhanced
hydrogen production in altered mixed
acid fermentatuion of gluose by
Enterobacter aerogenes. J Ferm Bioeng
83: 358-363.
Sirait LR. 2007. Produksi gas hidrogen dari
limbah cair tahu dengan bakteri
fotosintetik Rhodobium marinum [tesis].
Depok: Sekolah Pascasarjana, Universitas
Indonesia.
10
Smith JE. 1985. Prinsip Bioteknologi. Sumo
UF, Sumantri B, Subono A, penerjemah;
Jakarta: Gramedia. Terjemahan dari:
Biotechnology Principles.
Sudarmadji et al. 1997. Prosedur Analisa
untuk Bahan Makanan dan Peranian.
Yogyakarta: Liberty.
Susilaningsih et al. 2007. Produksi bioenergi
gas hidrogen dari biomassa limbah
pertanian dan perkebunan melalui proses
ermentasi aerobik dengan konsorsium
bakteri [laporan penelitian]. Bogor: Puslit
Bioteknologi, LIPI.
Zaborsky et al. 1998. BioHydrogen. New
York: Plennum Press.
Zhu HT et al. 1999. Hydrogen production
from tofu waste water by Rhodobacter
sphaeroides immobilized agar gels. Int J
Hydrogen Energy 24 : 305-310
11
LAMPIRAN
12
Lampiran 1 Alur penelitian
Kultivasi bakteri Rhodobium
marinum atau Isolat Sanur
dalam media cair
Glukosa 1% (b/v)
Pemanenan
Media lengkap produksi H2
Cahaya
Lampu TL 60 W, 48 jam
Fermentasi (2 hari, inkubator
goyang 120 rpm, suhu 30ºC)
Sampling dari jam ke-0
hingga jam ke-40
Analisis OD, Volume gas yang
terbentuk, pH, dan kadar gula total
GC
H2
13
Lampiran 2 Kuantifikasi media lengkap dengan fungsinya
Bahan
Natrium suksinat
Glukosa
K2HPO4
KH2PO4
(NH4)2SO4
MgSO4.7H2O
CaCl2.2H2O
Co(NO3)2.6H2O
Fe(NH4)2SO4.6H2O
Na2MoO4.2H2O
MnCl2.4H2O
H3BO3
Cu(NO3)2.3H2O
Na2EDTA.2H2O
Nicotinic acid
Ekstrak khamir
HCl
NaOH
NaCl
Nitrogen
mg / 1000 ml
1000
1000
750
850
40
200
0.75
290
10
0.75
2.1
2.8
0.04
2
0.025
0.3
3N
3N
Jenuh
Fungsi
Sumber karbon dan energi pada pre culture
Sumber karbon dan energi pada main culture
Buffer pH, sumber K
Buffer pH, sumber P
Sumber N dan S
Sumber Mg dan S
Sumber Ca dan Cl
Sumber Co dan N
Sumber Fe, N, dan S
Sumber Na dan Mo
Sumber Mn dan Cl
Mikroelemen
Sumber Cu dan N
Mikroelemen
Mikroelemen
Sumber vitamin dan faktor pertumbuhan
Pengkondisian pH asam
Pengkondisian pH basa
Pengikat H2
Penekan O2 pada medium
Lampiran 3 Fotobioreaktor untuk produksi hidrogen
Keterangan:
Fotofermentasi berlangsung selama dua hari pada suhu 30ºC dengan kecepatan
inkubator goyang 120 rpm, volume media 75/ 125 ml, panjang selang 1 meter,
dan diberi cahaya lampu TL 4 x 15 watt.
14
Lampiran 4 Hubungan OD bakteri dan pH medium terhadap waktu
Jam Ke-
Isolat Sanur
R. marinum
0
22
34
40
OD
pH
OD
pH
1.6325
2.287
2.384
2.275
7
5
5
5
1.0555
1.9465
1.9545
1.9415
7
5
5
5
Lampiran 5 Kurva standar gula total
Absorbansi (490 nm)
[Gula Total ] (ppm)
10
20
40
60
80
100
120
200
Absorban
0.1044
0.2326
0.4457
0.6776
0.8622
0.9799
1.3014
2.0036
2.5
y = 0.01x + 0.0419
R2 = 0.9956
2
1.5
1
0.5
0
0
50
100
150
200
250
[Gula Total] (ppm )
Lampiran 6 Data hasil pengukuran gula total sampel
Sampel
Kontrol
R. marinum
Isolat Sanur
Jam Ke0
22
34
40
0
22
34
40
0
22
34
40
Absorban
1.165
1.165
1.164
1.163
0.9045
0.39595
0.38375
0.3566
1.023
0.4757
0.382
0.33805
faktor pengenceran
(fp)
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
[Gula Total] (ppm)
11231
11231
11221
11211
8626
3540.5
3418.5
3147
9811
4338
3401
2961.5
15
Lampiran 6 (Lanjutan)
Contoh perhitungan pengukuran gula total sampel (kotrol jam ke-0):
Gula total
Absorbans
0 . 0419
0 , 01
1,165 0 , 0419
100
0 , 01
11231 ppm
faktor pengencera n ( fp )
Lampiran 7 Data hasil pengamatan gas produk fotofermentasi
Substrat : Glukosa 1%
R. marinum dan Isolat sanur
Bakteri :
[Glukosa] awal :
10,000 mg/L
OD awal:
1.7 dan 1.1
pH awal :
7
Intensitas Cahaya : 60 W, 48 jam
Volume Reaktor :
75/125 ml
Panjang Selang :
1 meter
Kecepatan Inkubator Goyang :
120 rpm
Temperatur : 30ºC
Sampling
Volume Gas (ml)
Jam Ke-
Kontrol
R. marinum
Isolat Sanur
0
0
0
0
2
0
14
0
4
0
31
7.5
6
0
36.5
33.75
8
0
39
37.5
10
0
35
30.5
12
0
22.25
19.5
14
0
12.75
19.5
16
0
13.25
10
18
0
0
7
20
0
0
0
Total
0
205.25
165.25
a
b
Gas hasil fotofermentasi diamati dan diukur
volumenya secara langsung dengan melihat
perubahan volume air (larutan NaCl jenuh) dalam
tabung ukur (penampung gas). Jumlah gas yang
dihasilkan sama dengan selisih volume air awal
dalam tabung ukur (a) dengan volume air saat
sampling dalam tabung ukur tersebut (b).
16
Lampiran 8 Data hasil pengukuran gas H2 produk fotofermentasi dengan GC
Kondisi GC untuk analisis hidrogen
GC
Detektor
Kolom
Temperatur kolom
Temperatur injektor
Temperatur detektor
Gas pembawa
Sampling
HP 5890
TCD
Poropak
80 ºC
150 ºC
250 ºC
N2
% Hidrogen (GC)
Luas area puncak
R. marinum
Isolat Sanur
0
0
739487
484533.5
739487
0
739487
Jam Ke-
Kontrol
0
0
2
0
4
0
6
Standar H2
R. marinum
Isolat Sanur
0
0
0
0
65.5
0
322831.5
0
43.67
0
453970
246956
61.4
33.26
8
0
739487
456377
433867.5
61.72
58.67
10
0
739487
294793.5
342124.5
39.86
46.27
12
0
739487
110768.5
572176
14.98
77.37
14
0
739487
430907.5
418995
58.27
56.66
16
0
739487
420900
387283
56.92
52.37
18
0
739487
0
285180.5
0
38.56
20
0
0
0
0
0
0
Contoh perhitungan (sampel R. marinum jam ke-2):
% Hidrogen
luas area puncak pada kromatogram sampel
100 %
luas area puncak pada kromatogram s tan dar hidrogen
484533.5
100 %
739487
65.5 %
17
Lampiran 9 Gas hidrogen yang dihasilkan selama fotofermentasi
Sampling
Rata-rata volume gas Hidrogen yang dihasilkan (ml)
Jam Ke-
Kontrol
R. marinum
Isolat Sanur
0
2
0
0
0
0
9.17
0
4
0
13.54
0
6
0
22.41
11.22
8
0
24.01
22.962
10
0
23.63
19.365
12
0
13.33
17.374
14
0
11.112
15.478
16
0
10.050
13.545
18
0
0
3.675
20
0
0
0
Total
Kecepatan ratarata (ml/jam)
0
127.311
103.61
0
7.956
5.756
Contoh perhitungan (sampel R. marinum jam ke-2):
Volume gas H 2
% hidrogen (lampiran 8)
65.5 % 14 ml
volume gas produk fotofermentasi (lampiran 7)
9.17 ml
Jumlah mol hidrogen yang dihasilkan dari fotofermentasi dihitung dengan
menggunakan persamaan:
n
PV
RT
Keterangan:
n Jumlah mol
P Tekanan (atm)
V Volume gas ( L)
R 0.082
T Suhu ( K )
Bakteri Rhodobium marinum:
n
1 atm 127.311 ml
0.082 301
5.15 mmol
18
Lampiran 9 (Lanjutan)
Jumlah mol hidrogen yang dihasilkan dari fotofermentasi bakteri R. marinum
adalah
5.15 mmol
1L
75 ml
18 jam
1000 ml
mmol
3.81
L jam
Isolat Sanur:
1 atm 103.610 ml
n
0.082 301
4.20 mmol
Jumlah mol hidrogen yang dihasilkan dari fotofermentasi bakteri isolat Sanur
adalah
4.20 mmol
1L
75 ml
20 jam
1000 ml
mmol
2.8
L jam
19
Lampiran 10 Korelasi kadar gula total dan jumlah gas H2 terhadap waktu
fermentasi
Rhodobium marinum
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
30
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
[Gila Total] (ppm)
Volume Gas hidrogen
(ml)
35
8 10 12 14 16 18 20
Jam Ke-
35
12000
30
10000
25
8000
20
6000
15
4000
10
[Gula total] (ppm)
Volume Gas Hidrogen (ml)
Isolat Sanur
2000
5
0
0
0
2
4
6
8
10
Jam Ke-
Keterangan:
12
14
16
18
Gas hidrogen
20
Gula Total
20
Lampiran 11 Kromatogram hasil analisis gas hidrogen sampel produk fermentasi
dengan menggunakan GC
Standar hidrogen
21
Lampiran 11 (Lanjutan)
Standar CO2
22
Lampiran 11 (Lanjutan)
Sampel R. marinum ulangan 1
23
Lampiran 11 (Lanjutan)
Sampel R. marinum ulangan 2
24
Lampiran 11 (Lanjutan)
Sampel isolat Sanur ulangan 1
25
Lampiran 11 (Lanjutan)
Sampel isolat Sanur ulangan 2