Optimasi Proses Produksi Nanoselulosa Bakterial Dari Limbah Dan Substrat Tropis

Claudia Gadizza Perdani, Gadizza Perdani (2025) Optimasi Proses Produksi Nanoselulosa Bakterial Dari Limbah Dan Substrat Tropis. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 7008211001-Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 April 2027. Download (4MB) | Request a copy

Abstract

Bakteri nanoselulosa (BNC) merupakan biomaterial bernilai tinggi yang memiliki sifat unggul, seperti kristalinitas tinggi, kemampuan mengikat air, dan kekuatan mekanik yang baik, sehingga potensial untuk berbagai aplikasi, termasuk biomedis dan pengemasan cerdas. Namun, biaya produksi yang tinggi akibat penggunaan media sintetis menjadi tantangan utama dalam pengembangannya. Penelitian ini diawali dengan isolasi 33 isolat bakteri dari berbagai limbah pertanian tropis, seperti buah-buahan busuk dan air kelapa. Setelah proses seleksi, Komagataeibacter saccharivorans (isolat sapodilla) dan Komagataeibacter intermedius SB110 (isolat nanas) dikonfirmasi sebagai penghasil BNC yang efisien. Isolat nanas menunjukkan rendemen awal tertinggi pada media berbasis air kelapa, dengan sukrosa sebagai sumber karbon, mencapai 1,6 g/L. Penambahan ekstrak kulit nanas sebesar 0,5% sebelum optimasi fermentasi terbukti meningkatkan rendemen hingga 2,607 g/L dalam 7 hari fermentasi. Kandungan mineral dalam air kelapa, seperti magnesium (47,7 mg/kg) dan potasium (1,965 mg/kg), berkontribusi pada peningkatan efisiensi metabolisme bakteri hingga 30% dibandingkan media sintetis. Optimasi proses produksi dilakukan menggunakan model Random Forest, yang menunjukkan akurasi prediktif tinggi dengan koefisien determinasi (R²) sebesar 0,9572. Model ini berhasil mengidentifikasi parameter kunci, seperti pH, konsentrasi sukrosa, dan waktu fermentasi, yang secara signifikan memengaruhi rendemen BNC. Kondisi optimal ditemukan pada pH 5 dan konsentrasi sukrosa 3%, menghasilkan rendemen tertinggi sebesar 3,68 ± 0,01 g/L. Hasil optimasi fermentasi menunjukkan peningkatan rendemen BNC secara signifikan pada semua jenis gula yang diuji (glukosa, fruktosa, dan sukrosa). Pengurangan konsentrasi gula dari 50 g/L menjadi 30 g/L serta penyesuaian pH dari 5,5 ke 5 meningkatkan efisiensi produksi. Sukrosa menunjukkan performa terbaik dengan peningkatan rendemen dari 1,6 g/L menjadi 3,68 g/L (130%), diikuti oleh glukosa (1,3 g/L → 3,19 g/L (145%) dan fruktosa (0,9 g/L → 3,17 g/L(252%). Hal ini menunjukkan bahwa substrat berbasis sukrosa, seperti air kelapa, lebih sesuai untuk produksi BNC dalam kondisi optimal. Karakterisasi BNC menunjukkan bahwa substrat fruktosa menghasilkan BNC dengan indeks kristalinitas tertinggi (84,4%) dan puncak FTIR tajam pada 1420–1430 cm⁻¹ serta 1000–1200 cm⁻¹, ideal untuk aplikasi biokomposit. BNC berbasis glukosa memiliki kristalinitas sedang (81,9%) dengan diameter serat sempit (40–60 nm), cocok untuk aplikasi struktural, sedangkan BNC berbasis sukrosa memiliki kristalinitas lebih rendah (79,6%) dengan diameter serat lebih besar (60–100 nm), sesuai untuk bahan penyerap. Temuan ini menegaskan bahwa pemanfaatan limbah pertanian kaya sukrosa, seperti air kelapa dan ekstrak kulit nanas, dapat menggantikan media sintetis, mengurangi biaya produksi, serta mendukung prinsip ekonomi sirkular untuk pengembangan BNC skala industri pada aplikasi biomedis, pengemasan cerdas, dan material fungsional berkelanjutan.
==================================================================================================================================
Bacterial nanocellulose (BNC) is a high-value biomaterial with superior properties such as high crystallinity, excellent water retention capacity, and good mechanical strength, making it suitable for various applications, including biomedical and smart packaging. However, the high production cost due to the use of synthetic media remains a major challenge in its development. This study began with the isolation of 33 bacterial isolates from various tropical agricultural wastes, such as rotten fruits and coconut water. After the selection process, Komagataeibacter saccharivorans (sapodilla isolate) and Komagataeibacter intermedius SB110 (pineapple isolate) were confirmed as efficient BNC producers. The pineapple isolate exhibited the highest initial yield in coconut water-based media, with sucrose as the carbon source, reaching 1.6 g/L. The addition of 0.5% pineapple peel extract prior to fermentation optimization significantly increased the yield to 2.607 g/L within 7 days of fermentation. The mineral content in coconut water, such as magnesium (47.7 mg/kg) and potassium (1,965 mg/kg), contributed to a 30% increase in bacterial metabolic efficiency compared to synthetic media. The production process was optimized using the Random Forest model, which demonstrated high predictive accuracy with a coefficient of determination (R²) of 0.9572. This model successfully identified key parameters, such as pH, sucrose concentration, and fermentation time, which significantly influenced BNC yield. Optimal conditions were found at pH 5 and 3% sucrose concentration, resulting in the highest yield of 3.68 ± 0.01 g/L. The fermentation optimization results showed a significant increase in BNC yield for all tested sugar types (glucose, fructose, and sucrose). Reducing the sugar concentration from 50 g/L to 30 g/L and adjusting the pH from 5.5 to 5 improved production efficiency. Sucrose demonstrated the best performance, with yield increasing from 1.6 g/L to 3.68 g/L (130%), followed by glucose (1.3 g/L → 3.19 g/L(145%)) and fructose (0.9 g/L → 3.17 g/L (252%)). This indicates that sucrose-based substrates, such as coconut water, are more suitable for optimal BNC production. BNC characterization showed that fructose-based substrates produced BNC with the highest crystallinity index (84.4%) and sharp FTIR peaks at 1420–1430 cm⁻¹ and 1000–1200 cm⁻¹, making it ideal for biocomposite applications. Glucose-based BNC exhibited moderate crystallinity (81.9%) with narrower fiber diameters (40–60 nm), suitable for structural applications, while sucrose-based BNC had lower crystallinity (79.6%) with larger fiber diameters (60–100 nm), making it more appropriate for absorbent materials. These findings confirm that utilizing sucrose-rich agricultural waste, such as coconut water and pineapple peel extract, can replace synthetic media, reduce production costs, and support circular economy principles for the industrial-scale development of BNC in biomedical, smart packaging, and sustainable functional material applications.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	Air Kelapa, Bakteri Nanoselulosa, Ekonomi Sirkular, Ekstrak Kulit Nanas, Optimasi Random Forest
Subjects:	Q Science > QD Chemistry > Polymerization
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Claudia Gadizza Perdani
Date Deposited:	19 Feb 2025 03:29
Last Modified:	19 Feb 2025 03:29
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/118801

Actions (login required)

View Item