BAB II PEMBAHASAN
2.1
Sejarah Perkembangan Perkembangan Bioproses dan Bioteknologi
Perkembangan
bioteknologi
dan
industri
bioproses
sebenarnya
telah
berkembang jauh sejak lama dan berkembang beriringan dengan perkembangan manusia. 1. Pada Tahun 4000 - 6000 SM Ketika menelusuri sejarah, maka akan menemukan bahwa perkembangan bioteknologi dimulai ketika bangsa Mesir menggunakan khamir khamir sebagai pengembang roti. Selain itu, pada masa itu mereka juga menggunakan khamir sebagai bahan baku pembuatan minuman beralkohol. 2. Pada Abad 14 M Perkembangan bioteknologi berlanjut ketika pada abad ke-14 ditemukan metode destilasi alkohol. Selain itu, ditemukan pula bahwa pada awal abad ke-14 ini bangsa China dan juga j uga Timur Tengah telah menggunakan bakteri asam laktat untuk mengawetkan susu. Pada abad ke-14 ini, ditemukan pula bakteri asam asetat serta seorang penjelajah terkenal, yakni Christoper Colombus mulai mengembangkan fermentasi jagung. 3. Pada Abad 18-19 M Pada abad ke-18, bioteknologi berkembang dengan cukup pesat. Hal ini ditandai dengan:
Pada tahun 1800-an, Carlsberg mengembangkan starter untuk inokulum bir. 1803, Thenard menemukan khamir penghasil alkohol.
Pada tahun 1857, Edward Buchner menemukan mikrobia penghasil alkohol.
Makanan terfermentasi (Keju, yoghurt, tape, tempe, petis, te rasi) mulai dikembangkan dan diproduksi lebih lanjut
4. Abad 20 M (1900-1930) Pada masa ini, perkembangan fermentasi dan antibiotika berkembang dengan pesat. Masa ini juga merupakan periode yang penting dalam perkembangan fermentasi gliserol, aseton, butanol dan juga enzim. Beberapa penemuan penting yang ditemukan pada masa ini antara lain adalah:
4
Penemuan Pionase antibiotik yang dihasilkan oleh bakteri Pseudomonas geruginosa pada tahun 1901 oleh Rudolf Emmerich & Oscarlow.
Penemuan Clostridium penghasil aseton oleh Chaim Wismann pada tahun 1918.
Penemuan Penicilin yang dihasilkan oleh bakteri P. notatum yang digunakan untuk menghambat Staphylococcus aureus oleh Alexander Flemming pada tahun 1928.
Pfizer menemukan Aspergillus niger penghasil asam sitrat pada tahun 1923
Selman Waksman menemukan Streptomyces griseus, mikrobia penghasil streptomisin.
PenemuanVaksin (Vaksin anti NCD, vaksin anti polio).
Penemuan Transformasi steroid (DOPA).
5. Tahun 1957 Tahun 1957 merupakan tahun yang penting dalam sejarah manusia. Hal ini disebabkan karena Louis Pasteur menemukan khamir penghasil alkohol, fermentasi vitamin, antibiotik, asam amino dan steroid. Selain itu, pengembangan produk produk alkohol untuk kepentingan non pangan (Etanol, Butanol, aseton, gliserol), asam organik (Asam sitrat, asam asetat), teknologi fermentasi media cair, dan juga teknologi biakan jaringan hewan juga dimulai pada tahun ini. 6. Tahun 1970-an Sejak tahun 1970-an, Bioteknologi ”lahir kembali” di dunia dan berkembang sangat pesat sehingga dipercaya sebagai gelombang baru ekonomi dunia setelah teknologi informasi. Kutipan tersebut benar adanya disebabkan karena pada masa ini perkembangannya sangat maju, diantaranya:
Asam amino (Asam glutamat, lisin, aspartam).
Protein sel tunggal.
Enzim (amilase, glukosa isomerase, glukosa dehidrogenase).
Teknologi imobilisasi sel dan ensim.
Teknologi pengolahan limbah cair anaerob (Biogas).
Polisakarida bakteri (Xanthan, Trehalosa).
Pada tahun 1973, pertama kali gen berhasil diklon dan juga berlangsungnya penelitian rekombinan DNA pertama oleh Cohen and Boyer.
5
Pada 1974, ekspresi gen terklon di jasad lain.
Pada tahun 1975, Teknologi hibridoma (Antibodi monoklonal) dan uji diagnostik dengan antibodi dikembangkan.
Teknologi uji diagnostik dengan antibodi.
Vaksin artificial.
Insulin dari khamir.
7. Tahun 1980-2000 Pada tahun 1980, Bioteknologi modern mulai dikembangkan dengan adanya teknologi DNA rekombinan. Model prokariotnya, E. Coli, digunakan untuk memproduksi insulin dan obat lain bagi manusia. Hal ini merupakan sebuah perubahan besar, hal itu disebabkan karena ekitar 5 % pengidap diabetes alergi terhadap insulin hewan. Pada tahun 1992, FDA ( Food and Drug Administration) menyetujui makanan GM pertama dari Calgene. Dan pada tahun 2000, Human Genome Project yang telah dimulai perkembangannya sejak tahun 1990 awal selesai dirampungkan. 8. Tahun 2000-sekarang Perkembangan industri bioproses dan bioteknologi berkembang pesat pada masa sekarang. Hal itu dapat dilihat dari beberapa peristiwa seperti:
Produksi enzim murah untuk bioenergi Biopolymer , Industrial enzim, asam-asam amino dan organik, Reagen dan kits, Bioagrokimia, dll mulai dikembangkan dan diproduksi secara massal untuk kepentingan industri.
Pengolahan limbah dan monitoring polusi, evaluasi keselamatan dan efikasi, biostandarisasi, bioinformatik, dsb.
Immunomodulator, faktor pertumbuhan, protein darah, rekayasa sel dan jaringan, terapi gen, dll.
Biomasa dan biogas, bibit dan tanaman artifisial, hewan dan tanaman transgenik , dll.
Chip-chip DNA, Protein, Laboratorium pada permukaan Chip, Biosensor, dsb. Selain itu, di berbagai universitas di dunia, jurusan-jurusan yang berkaitan dengan bioteknologi dan bioproses mulai dikembangkan. Salah satunya pada tahun 2008, dimana Universitas Indonesia mendirikan jurusan teknologi
6
bioproses yang merupakan jurusan teknologi bioproses pertama yang ada di Indonesia. (Jonathan, 2013).
2.2
Perkembangan Bioproses dan Bioteknologi
Futuris
Amerika,
Alvin
Toffer
(1980)
membuat
prognosa
dalam
buku Gelombang 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 energi alternatif, 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 industri 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
7
(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 tahap perkembangan 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. (Yagami, 2011). Perkembangan penting secara kronologis bioteknologi baru disajiakan pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. 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
8
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.) (Yagami, 2011).
2.3
Ruang Lingkup Bioproses dan Bioteknologi
Banyak batasan dikemukan oleh berbagai lembaga atau perguruan tinggi untuk menjelaskan
bioteknologi. Beberapa
di
antaranya
diberikan
oleh OECD
(Organization for economic Coorperation and Development), OTA-US Congress (Office of Technology Assessment of US Congr ess), dan E F B (E uropean F ederation of B iotechnology) 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 (OTAUS,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
9
prinsip-prinsip bioproses. Fermentasi merupakan proses produksi suatu bahan dengan bantuan mikroba (dengan cara transformasi atau konversi). Teknologi enzim mencakup teknik memproduksi suatu produk dengan bantuan enzim, isolasi, dan pemurnian enzim. Penerapan secara industri rekayasa 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. (Yagami, 2011).
2.4
Kinerja Bioproses dan Bioteknologi
Kinerja ( performance) 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 produk, 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 (CO 2/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
10
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 tunggal (PST) dan hidrokarbon dan neraca energi 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. Rancang bangun 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. (Yagami, 2011).
11
