Pengertian Bioproses
Bioproses atau bioteknologi sebagai ilmu antar disiplin merupakan penerapan teknologi organisme hayati dan penyusun subselularnya untuk industri pengolahan dan jasa serta pengelolaan lingkungan. Dari hasil penelitian di laboratorium ke penerapan dalam skala industri diperlukan pemahaman prinsip-prinsip kinetika proses. Pemahaman ini sangat diperlukan untuk menentukan dan mengevaluasi pertumbuhan, laju reaksi enzim, penggunaan substrat , peolehan produk, produktivitas enzim atau sel yang semuanya digunakan untuk menentukan kinerja bioproses.
Bioproses memerlukan kuantifikasi proses pertumbuhan sel (mikroba, tanaman , hewan) atau aktifitas enzim yang mengonsumsi substrat serta membentuk produk. Dua hal pokok yang selalu dijadikan tolok ukur bagi pengembangan lebih lanjut adalah sebagai berikut.
a. Pada tingkat nisbah (rasio) bahan atau energy berapakah energy atau bahan lain harus dipasok atau dikeluarkan untuk menghasilkan sejumlah produk tertentu.
b. Pada tingkat laju (rate) pertumbuhan sel, konsumsi substrat dan produksi bahan serta pada volume berapakah dibutuhkan peralatan (bioreactor) untuk proses pada tingkatan tertentu.
Perihal (a) dipecahkan dengan pendekatan stoikiometri yang terjadi pada bioproses. Sedangkan pokok permasalahan butir (b) dapat didekati berdasarkan kaidah-kaidah kinetika reaksi bioproses. Oleh karena itu, merupakan syarat mutlak bagi seorang bioengineer mengetahui dan menguasai prinsip-prinsip rekayasa biokimia (biochemicah engineering) dan rekayasa proses (process engineering).
Proses pengubahan biokonversi atau fermentasi microbial terjadi dan berlangsung di dalam wahana yang disebut permentor atau bioreactor. Oleh karena itu, pokok bahasan bioreactor mendapat porsi besar dalam studi-studi atau kajian mengenai teknologi bioproses.
1.2. Kinerja bioproses
Kinerja (persformance) bioproses sangat ditentukan oleh daya guna (efesinsi)dan tingkat keterulangannya (reproduksibilitas). Dalam pengembangan proses bioindustri, prinsip-prinsip kerekayasaan amat bermanfaat dalam hal-hal sebagai berikut.
1. Identifikasi prosduk, substrat, dan produk-produk antara
Secara umum substrat yang digunakan dalam bioproses adalah substrat karbon terasimilasi yang dapat berupa sumber karbon asal pertanian (sakarosa, tetes, pati, glukosa, laktoserum atau whey, selulosa, dan limbah nabati), sumber karbon anorganik (CO2/karbonat). Rendemen dapat ditentukan berdasarkan nisbah metabolit atau biomassa yang diperoleh terhadap substrat yang digunakan. Memaksimumkan rendemen ini adalah tujuan utama bioprosesn. Pemilihan substrat dan komposisi media di satu pihak tergantung pada kendala teknik (konsentrasi dan rendemen maksimum, purifikasi). Dipihak lain tergantung pada kendala ekonomik(harga keamanan).
2. Stoikiometri proses
Dalam suatu bioproses, neraca bahan yang pasti tidak selalu bersedia.Meskipun demikian, informasi dapat diambil secara rinci berdasarkan nisbah (rasio) berbagai produk dan substrat (sebagi contoh sumber karbon, sumbar nitrogen, permasokan oksigen) dan zat antara (intermediate) dan keragaman nisbah tersebut menanggap perubahan lingkungan. Dalam berapa proses fermentasai, misalnya produksi protein sel tungga (PST) dan hidrokarbon dan neraca energy juga mempunyai peran yang penting.
3. Kinetika laju bioproses
Acap kali masalah pada butir (1) dan (2) di atas tidak dapat diselesaikan tanpa memperhatikan skala waktu. Pada proses curah (batch) perubahan produk, zat antara dan substrat merupakan hal yang penting karena melibatkan waktu proses. Oleh karena itu. Laju dan kinetika proses merupakan informasi yang diperlukan. Sebaliknya dalam biproses sinambung, rancangbangun dan analisis bioraktor pada umumnya didasarkan atas laju prubahan tersebust dan laju dilusi. Pemahaman kinetika bioproses diperlukan untuk menentukan teknologi yang tepat dan strategi kondisi operasi dengan tujuan akhir untuk memaksimalkan produksi dan konsentrasi produk. Masalah purifikasi dan pemisahan metabolit yang dihasilkan juga membawa akibat yang berarti pada optimasi proses. Berdasarkan hal-hal tersebut instrumentasi dan pengendalian proses juga merupakan hal yang sangat penting dalam bioproses.
4. Rancangbangun reaktor
Informasi (1), (2), dan (3) diperlukan sekali untuk tujuan akhir dari kajian rekayasa bioproses, yakni rancangan dan analisis bioraktor. Meskipun fermentor dengan penampakan lain, seperti fermentor menara yang banyak digunakan. Perancangan umumnya melalui tiga tahapan skala yakni (1) skala laboratorium yang merupakan tahapan seleksi mikroba, (2) skala pilot-plant untuk menerapkan kondisi optimal, dan (3) skala industri yang diterapkan dengan mempertimbangkan ekonomi dan finansial bioproses tersebut.
Dalam bahasan selanjutnya lingkup teknologi bioproses akan disajikan secara, berurutan meliputi kinetika microbial, kinetika reaksi enzimatik, perancangan bioreactor, evaluasi dan perhitungan bioproses, pemodelan bioproses, pengendalioan, serta teknologi proses hilir. Bahasan akan ditutup dengan mempertelakan penerapan bioproses dalam industri.
1.3. Perkembangan Bioproses/Bioteknologi
Futuris Amerika, Alvin Toffer (1980) membuat prognosa dalam bukuGelombang Ketiga (The Third Wave) yang sangat terkenal. Prognosa itu berisi tentang empat teknologi yang akan sangat berperan dalam kebudayaan manusia abad 20-21. Keempat teknologi tersebut adalah mikroelektronika, teknologi energy alternative, aeronautika, dan bioteknologi.
Revolusi biologi yang diawali dengan penemuan struktur sulur ganda (heliks) molekul DNA (asam deoksiribo nukleat) oleh Watson dan Crick (1953) melejit pesat dipertengahan tahun 1970-an dengan perkembangannya rekayasa genetika. Perkembangan ini menjadikan bioteknologi sebagai bidang antar disiplin yang memberi harapan untuk memecahkan problem yang dihadapi manusia. Padahal penerapan proses-proses bioteknologis sebenarnya telah berabad-abad lamanya dikenal dan dibudidayakan oleh umat manusia.
Di penghujung abad ke 20 bioteknologi telah menjadi salah satu penopang kegiatan industry terutama di Negara-negara maju. Sebaliknya upaya pengembangan dan penerapannya di Negara-negara berkembang masih banyak menghadapi masalah dan dilemma. Hal ini karena bioteknologi memerlukan padat modal untuk penelitian dan penerapannya. Selain itu, juga memerlukan dukungan sumber daya manusia berupa pakar dan insinyur yang berkelayakan tinggi.
Pengetahuan manusia tentang bioteknologi berawal dari pembuatan makanan dan minuman secara fermentasi. Seni pembuatan pangan terfermentasi tersebut telah dikenal oleh masyarakat Babilonia sejak 6.000 tahun sebelum masehi (SM), jauh sebelum Louis Pasteur mencetuskan temuannya tentang peran mikroba atau jasad renik dalam fermentasi.
Minuman khas Jepang (sake), bir, anggur, keju, yoghurt, dan pangan tradisional Indonesia (tempe, oncom, acar, dan peda) merupakan contoh hasil proses bioteknologis tradisional. Tahapan ini disebut bioteknologi generasi pertama atau era pra-pasteur. Tahap ini dicirikan oleh pemanfaatan atau pendayagunaan mikroba (bakteri, kapang, khamir) untuk pengawetan dan atau pembuatan makanan/minuman. Sampai tahun 1940-an penggunaan mikroba juga dikembangkan untuk produksi bahan kimia (aseton-, butanol, asam sitrat) dan biomassa. Bioteknologi generasi kedua dimulai ketika ditemukan penisilin oleh Fleming (1928/1929) dan permulaan pengusahaannya dalam bentuk industry pada tahun 1944. Pada era ini (dan sampai sekarang) kegiatan bioteknologis dwarnai oleh proses produksi industri antibiotika, vitamin, dan asam-asam organic dengan fermentasi. Masa tersebut dikenal pula sebagai era antiobiotika.
Bioteknologi generasi ketiga melejit secara pesat pada paruh tahun 1970-an, dengan diterapkannya rekayasa genetika untuk memanipulasi dan memperbaiki sifat organisme sebagai agen yang berperan penting dalam bioproses. Berbagai produk farmasi dan kedokteran yang benilai tinggi seperti interferon, hormone, dan vaksin diproduksi berkat rekayasa genetic ini. Teknologi hibridoma yang ditemukan oleh Kohler dan Milstein (1985) membuka era ini untuk produksi antibody monokronal (Mangunwidjaja, D, dan Ani Suryani, 1994). Kekhasan ini menyebabkan tahapaperkembangan ini dinamai bioteknologi baru.
Perkembangan bioproses/bioteknologis tidak lepas dari peran enzim, suatu biokatalis. Pengkajian sifat dan kinetika reaksi enzimatik dan perkembangan peralatan analisis, seperti kristalografi sinar X dan spektrofotometer massa yang ditopang oleh rekayasa genetic tersebut telah memungkinkan para pakar biokimia merekayasa struktur enzim sesuai dengan sifat yang diinginkan. Perekayasaan struktur (tiga dimensi) enzim ini dikaji dalam bidang protein engineering yang saat ini memberi corak perkembangan bioteknologi generasi keempat.
Perkembangan penting secara kronologis bioteknologi baru disajiakan pada table 1.1.
Tabel 1.1. Perkembangan penting bioteknologi baru
Tahun Penemuan, Perkembangan, dan penemunya
|
1869 Penemuan molekul DNA (Miescher)
1944 Korelasi DNA dan bahan genetic (Avery)
1953 Struktur sulur (heliks) ganda dan prinsip replikasi DNA (Walson dan Crick)
1062/66 Mekanisme perpindahan informasi genetik
Sandi genetic, r-RNA, t-RNA
1972 Pengurutan endonuclease restriksi
1972/73 Rekombinasi in-vitro fragmen DNA dan penemuan
Plasmid sebagai vector (Cohen dan Boyer)
1975 Antibodi monoklonal (Kohler dan Milstein)
1976 Analisis urutan DNA (Sanger, Gilbert)
1977 Sintesis hormon Sanger dalam E. coli
1978 Sintesis kimiawi gen
1982 Pemasaran insulin yang diproduksi oleh bakteri rekombinan (imuntri:
Elie, Lily)
1987 Produksi secara indusri TPA ( tissue plasminogen activator) (Kidder,
Peabody & Co.)
|
Sumber: Mangunwidjaja, D, Ani Suryani, 1994
Ruang Lingkup dan Ranah Bioteknologi
Banyak batasan dikemukan oleh berbagai lembaga atau perguruan tinggi untuk menjelaskan bioteknologi. Beberapa di antaranya diberikan olehOECD (Organization for economic Coorperation and Development), OTA-US Congress (Office of Technology Assessment of US Congress), dan EFB (European Federation of Biotechnology) seperti disebutkan berikut ini.
Bioteknologi merupakan penerapan prinsip prinsip ilmu pengetahuan dan kerekayasaan untuk penanganan dan pengolahan bahan dengan bantuan agen biologis untuk menghasilkan bahan dan jasa (OECD,1982).
Bioteknologi adalah teknik pendayagunaan organisme hidup atau bagian organisme untuk membuat atau memodifikasi suatu produk dan meningkatkan/memperbaiki sifat tanaman atau hewan atau mengembangkan mikroorganisme untuk penggunaan khusus (OTA-US,1982).
Suatu batasan lain menyatakan bahwa bioteknologi merupakan penggunaan terpadu biokimia, mikrobiologi, dan ilmu-ilmu keteknikan dengan bantuan mikroba bagian-bagian mikroba atau sel dan jaringan organisme yang lebih tinggi dalam penerapannya secara teknologis dan industri (EFB, 1983).
Dalam kaitan dengan kegiatan ini, maka bioindustri dapat diartikan sebagai penerapan bioteknologi pada kegiatan industri atau industri yang menerapkan prinsip-prinsip bioproses. Fermentasi merupakan proses produksi suatu bahan dengan bantuan mikroba (dengan cara transformasi atau koversi).
Teknologi enzim mencakup teknik memproduksi suatu produk dengan bantuan enzim, isolasi, dan pemurnian enzim. Penerapan secara industrirekayasa enzim telah berkembang dan membuka era baru dengan teknik imobilisasi yang merupakan teknik pengekangan atau pengikatan enzim dalam suatu carrier padatan. Dengan teknik ini enzim dapat digunakan lagi secara terus menerus.
Rekayasa genetika mencakup teknik-teknik yang memungkinkan materi genetic suatu organisme hidup dimodifikasi. Dengan teknik tersebut sifat-sifat baru dapat dibentuk ke dalam organisme. Tiga teknik mutakhir yang melejitkan bioteknologi adalah teknilogi rekombinasi DNA, fusi sel (teknologi hibridoma, fusi protoplasma), dan amplifikasi gen.
Berdasarkan pengertian bioteknologi di atas maka kegiatan atau sector industri/jasa yang dapat dimasuki oleh bioteknologi sangat banyak jenis dan ragamnya. Seperti kedokteran, farmasi, pertanian, agroindustri, kimia, energi, dan lingkungan.
