Mikrobiologi Industri (Naskah RPKPS MikInd[1])

POKOK BAHASAN I

POKOK BAHASAN I

PENGANTAR MIKROBIOLOGI INDUSTRI

Deskripsi singkat

Dalam pokok bahasan pertama akan dibahas tentang pengertian Mikrobiologi Industri, industri fermentasi dan bioteknologi. Mikrobiologi Industri adalah ilmu yang mempelajari tentang peranan mikrobia yang menguntungkan dalam industri dalam penghasilan produk yang mempunyai nilai ekonomi lebih tinggi dibandingkan dengan bahan dasar. Disamping itu juga dalam mikrobiologi industri juga dipelajari tentang pertumbuhan mikrobia isolasi dan peningkatan, pemeliharaan kultur mikrobia yang potensial dalam industri, rancang bangun biorektor strain mikrobia, pengunduhan dan punifikasi produk, produksi metabolit primer dan sekunder, biokonversi steroid serta protein sel tunggal serta penanganan limbah.

Tujuan Instruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan pengertian Mikrobiologi Industri, industri fermentasi dan bioteknologi, sejarah fermentasi dan peranan mikrobia bagi manusia.

A. Pengertian Mikrobiologi IndustriMikrobiologi Industri adalah ilmu yang mempelajari proses industri dengan mengikut sertakan mikrobia dalam memproduksi produk-produk yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Produk yang dibuat dipilih senyawa yang sulit diperoleh melalui cara kimiawi.

B. Aspek-aspek Mikrobiologi Industri

Aspek yang dipelajari dalam Mikrobiologi Industri adalah dinamika fermentasi, alat untuk fermentasi, kinetika pertumbuhan, pengunduhan produk serta penangan limbah industri, produksi metabolit, protein sel tunggal.

C. Sejarah Fermentasi

Sejarah perkembangan fermentasi

a. Fermentasi telah dikenal sejak 6000 SM, di Babylonia, diketemukan khamir penghasil minuman beralkohol (bir)

b. Orang Mesir menemukan khamir pengembang roti, pada 4000 SM.

c. Abad ke-14 diketemukan cara distilasi alkohol dari hasil fermentasi serealia.

d. Di Cina, Timur Tengah, menggunakan bakteri asam laktat untuk pengawetan susu menjadi yoghurt, kefir dan kusmiss.

e. Bakteri asam asetat ditemukan sebelum penemuan oleh Anthony Van Leuwenhoek.

f. Columbus di Amerika, menemukan fermentasi dari jagung.

g. Pabrik bir Carlsberg tahun 1800 sebagai pioner pengembang starter, untuk inokulum bir.

h. Tahun 1803 L.J. Thenard (Perancis) menemukan khamir penghasil alkohol.

i. Edward Buchner tahun 1857 menemukan mikrobia untuk produksi alkohol.

j. Rudolf Emmerich dan Oscarlow tahun 1901 mendapatkan pyonase, adalah biotik yang dighasilkan oleh Pseudomonas aeruginosa.

k. Chaim Wismann tahun 1914-1918 menemukan Clostridium penghasil aseton untuk bahan peledak.

l. Pfizer tahun 1923 menemukan Aspergillus niger penghasil asam sitrat.

m. Alexander Flemming tahun 1928 menemukan pinisilin yang dihasilkan oleh P. notatum chrysogenum untuk menghambat Staphylococcus aureus.

n. Selman Waksman menemukan Streptomyces griseus penghasil streptomisin.

o. Louis Pasteur tahun 1957 menemukan khamir penghasil alkohol, diketemukan pula fermentasi vitamin, antibiotik, steroid dan asam amino.

p. Tahun 1900 sampai 1920 dihasilkan gliserol, aseton, butanol, ensim dari bakteri dan fungi. Pada waktu itu juga diperkenalkan tangki Imhoff untuk digesti anaerob air limbah menggunakan lumpur aktif.

q. Tahun 1960 telah diteliti tentang produksi biomasa sel mikrobia untuk sumber protein.

r. Rekayasa genetika tidak hanya memindah gen diantra mikrobia tetapi juga genom.

D. Masa depan perkembangan fermentasi (Industri fermentasi)

Perkembangan fermentasi umumnya menuju pada bahan kompleks dan sukar dibuat secara sintetis, contohnya: asam nukleat, alkoloid, polipeptida, protein, dan asam polihidroksi. Untuk memenuhi obat-obatan, makanan, ensim, detergen dan sebagainya perlu dicari mikrobia yang bersifat unggul. Penyediaan bahan untuk industrifermentasi sangat dibutuhkan dalam jumlah besar.

E. Peranan Mikrobiologi dalam Industri bagi Manusia.

1 Mikrobia dapat digunakan dalam industri untuk menghasilkan produk seperti ensim, polisakarida, asam amino, hormon dan antibodi monoklonal.

2 Mikrobia dapat digunakan untuk degradasi senyawa toksik, mengakumulasi lapisan minyak, berperanan sebagai peptisida dan tujuan untuk penambangan.

3 Ensim digunakan untuk penyamakan kulit penghasil detergen dan pembuatan mentega pengempukan daging.

4 Polisakharida digunakan untuk menstabilkan dan memberi pengental makanan sebagai bahan kosmetik, agensia pengikat (perekat) obat-obatan, untuk menyaring senyawa dan sebagainya.

5 Hormon seperti insulin dan hormon pertumbuhan digunakan untuk diberikan kepada manusia yang memang sifat genetik tak mampu memproduksi vitamin dan hormon.

Peranan Mikrobia dalam Industri :

Mikrobia : 1. Menguntungkan

2. Merugikan

1. Menguntungkan produk metabolit mempunyai nilai komersial

a. Produk metabolit primer

b. Produk metabolit sekunder

Berupa obat-obatan, antibiotik tetrasilin, penisilin, vitamin, asam amino, dan lain-lain.

2. Mikrobia yang berperanan: mold, yeast dan bakteria

a. Minuman beralkohol, bir, anggur

b. Senyawa obat-obatan, antibiotik, steroid.

c. Makanan suplement: yeast, alge (PST)

d. Senyawa pelarut: aseton, butanol, alkohol.

e. Vaksin.

Latihan soal :

1 Jelaskan ruang lingkup yang dipelajari dalam Mikrobiologi Industri

2 Jelaskan perbedaan antara industri fermentasi dan bioteknologi

3 Sebutkan salah satu produk fermentasi (biopestisida) yang dihasilkan oleh bakteri

4 Mengapa produk fermentasi ada yang tergolong dalam metabolit primer dan sekunder ! beri contoh.

5 Apakah yang dimaksud dengan

a. Mikrobiologi Industri

b. Protein sel tunggal

c. Bioteknologi.

Pokok Bahasan II

DASAR-DASAR DAN BIOKIMIA FERMENTASI

Deskripsi Singkat

Fermentasi berasal dari kata latin yaitu fervere yang berarti mendidih (toboil), hal ini ternyata merupakan aktifitas khamir pada ekstrak buah-buahan atau sekealia. Selama fermentasi dihasilkan CO2 sehingga kondisinya menjadi anaerob.

Definisi fermentasi ini diperluas yaitu reaksi oksidasi reduksi menggunakan sumber energi dan sumber karbon, nitrogen dan lain-lain untuk membentuk senyawa yang mempunyai nilai ekonomi lebih tinggi serta terakumulasi dalam medium.

Adapun tahapan fermentasi adalah jenis mikrobia dan kultur stok, media, preparasi inokulum, fermentasi, kontrol proses dan pengunduhan hasil serta operasi fermentasi. Operasi fermentasi secara komersial dapat digolongkan menjadi tiga golongan yaitu fermentasi non aseptis, semi aseptis dan aseptis. Sebagai contoh fermentasi non aseptis yaitu produksi protein sel tunggal (PST) dari hidrokarbon, fermentasi alkohol tergolong fermentasi semi aseptis dan produksi antibiotik bersifat fermentasi aseptis.

Kebanyakan produk berasal dari substrat yang mengandung karbon. Bermacam-macam produk antara yang dihasilkan dari glukosa dan dihasilkan asam piruvat sebagai senyawa kunci, kemudian asam piruvat direduksi menjadi asam laktat, asam butirat, asam propional, butanediol, etil alkohol dan sebagainya.

Produk yang dihasilkan tergantung ada dan tidaknya ensim mikrobia. Sebagai contoh bakteri asam laktat tidak menghasilkan ensim piruvat dekarboksilase, tetapi mereduksi piruvat menjadi asam laktat, sedang khamir dapat menghasilkan piruvat dekarboksilase untuk mereduksi senyawa CO2 menjadi etanol.Metabolisme glukosa dalam kondisi anaerob oleh mikrobia melalui Embden-Meyerhaf-Parnas. Kemudian pseudomonas melalui reaksi Entner Doudoroff mendegradasi menjadi etil alkohol. Leuconostoc mesenteraides melalui fermentasi glukosa menjadi asam laktat. Banyak fermentasi lain yang dilakukan oleh mikrobia sesuai sifat kharakteristik masing-masing.

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa setelah mempelajari dasar-dasar fermentasi dan biokimianya mampu menjelaskan tahapan fermentasi, asam piruvat, suatu kunci utama dalam fermentasi karbohidrat, mengetahui urutan reaksi Heksosa Di Phosphat (DHP), Heksosa Mono Phosphat (HMP). Embden Meyerhaf-Paruas (EMP), Entner Soudoroff.A. DASAR-DASAR FERMENTASI

1 Dalam fermentasi terdapat hubungan antara pertumbuhan sel, kecepatan pertumbuhan, konsentrasi substrat serta produk akhir. Tipe fermentasi dibedakan atas pertumbuhan mikrobia dan produk :

a. Sinonim : produksi protein sel tunggal

b. Assosiasi (associated) : fermentasi alkohol asam sitrat, dan asam laktat.

c. Non assosiasi (non associated) : fermentasi antibiotik.

d. Stepwise : fermentasi antibiotik

2 Mikrobia yang berperanan dalam industri adalah bakteri, fungi, khamir, alge, dam protozoa.

a. Bakteri contohnya : Zymomonus mobilis, Clostridium acetobutylicum, Acetobacter aceti.

b. Fungi contohnya : Aspergillus oryzae, Penicellium notatum, Rhizopus oligosporus

c. Khamir contohnya : Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Saccharomyces pombe.

d. Virus perlu dipelajari karena penyebab kontaminasi

e. Protozoa penting dalam penangan limbah

f. Alge untuk produksi bahan makanan yaitu agar, protein sel tunggal.

3 Peranan mikrobia dalam metabolisme yaitu :

a. Katabolisme : fermentasi alkohol, aseton, butanol dan asam organik

b. Anabolisme : fermentasi polisakarida protein, asam nukleat, alkaloid.

4 Peranan ensim dalam fermentasi

a. Katalisator ensim dapat mempercepat reaksi kimia 1012 1020 kali dibandingkan dengan katalisator anorganik.

b. Reaksi dengan menggunakan ensim untuk mendapatkan produk melalui degradasi tahap demi tahap.

c. Energi yang dihasilkan oleh ensim ditangkap lalu dilepas, tidak seperti katalisator anorganik.

d. Ensim dapat menurunkan energi aktivasi reaksi.

5. Fermentasi oleh mikrobia dapat menggunakan substrat dasar karbohidrat dan senyawa nitrogen organik.

Macam-macam fermentasi karbohidrat

No.MacamGlikolisisHasil akhir utama

1. Fermentasi alkohol

Oleh khamirHDPetanol, CO2Oleh bakteriEDPetanol, CO22. Fermentasi asam laktat

2.1. HomofermentasiHDPasam laktat

(Homolaktat)

2.2. HeterofermentasiHMPasam laktat, etanol,

(Heterolaktat)

asam asetat dan CO23. Fermentasi asam propionatHDPasam propionat, asam asetat

CO2

4.Fermentasi asam butiranHDPasam butirat,asam asetat, H2

CO2, butanol, etanol, aseton

Isopropanol.

5.Fermentasi asam campurHDPetanol, asetat, format, H2,

CO2, laktat, suksinat.

6. Fermentasi butanediolHDPbutanediol, etanol, laktat,

suksinat, asetat, H2, CO2.

Peruraian glukosa menjadi asam piruvat dibedakan menjadi 3 jalur :

Jalur heksosa difosfat (HDP), yaitu Embden-Meyerhoff-Parras atau glikolisa.

Jalur heksosa monfosfat (HMP), yaitu jalur Warburg Dicken, jalur fosfoketolosa, atau jalur pentosa fosfat.

Jalur 2 keto-3 deoksi glukonat-6 fosfat (jalur KDGP), atau jalur Entner Doudoroff.

Glukosa

Jalur HDP

Jalur HMP

Jalur KDGP

LaktatPiruvatAsetaldehidEtanol

Glukolasetat Asetoin Astil KoA + Format Asetil KoA + H2 + CO2

Asetil KoA Asetat

Suksinat

Butirat Aseton

Propional Butadediol Asetat Etanol H2 CO2 Butanol Propanol

Skema berbagai jalur perubahan asam piruvat

6. Tahapan fermentasi

a. Pemilihan mikrobia

Mikrobia yang dipakai dalam industri akan sangat bermanfaat bila disimpan untuk penggunaan lebih lanjut tanpa mengurangi kemampuan tumbuh dan produksinya. Ada dua macam kultur yaitu primary culture dan working culture.

b. Media fermentasi

Media sangat penting dalam fermentasi karena mikrobia mampu tumbuh pada substrat tersebut. Media harus mengandung makronutrien Media fermentasi dapat digolongkan menjadi dua macam yaitu media sintetik dan kompleks.

c. Preparasi inokulum

Media untuk penyiapan inokulum biasanya berbeda dengan media fermentasi. Media untuk inokulum untuk menghasilkan sel mikrobia dalam jumlah besar tanpa terjadi perubahan sifat genetik sel. Konsentrasi penggunaan 0,5 % sampai 5 % volume, kadang 10 % - 20 % inokulum yang terlalu sedikit mengakibatkan waktu fermentasi menjadi lama dan produktivitas menurun.

d. Kontrol proses fermentasi dan pengunduhan produk akan dibahas pada bab berikutnya.

B. BIOKIMIA FERMENTASI

1 Pada reaksi-reaksi katabolisme-anabolisme ATP dan nikotin adenin di nucleotide yang tereduksi (NADH) adalah kunci utama dalam fermentasi.2 Fermentasi terjadi bila produk fermentasi kandungannya lebih rendah dari substrat yang difermentasi.

3 Rumus untuk menyatakan perubahan energi bebas dengan perombakan potensial bila elektron pindah dari sistem ke sestem lain.

( Fo = - n F Eo

( Fo=perubahan energi bebas pada keadaan standard (Cal/mole)

n=jumlah elektron yang dipindahkan

Fo= Faraday, setara dengan 23,063 Cal/volt

Eo= potensial

4 Reaksi-reaksi metabolisme ada dua yaitu

a. Proses disimilasi (katabolisme) dapat menghasilkan hasil antara dan energi oleh mikrobia.

b. Proses asimilasi (biosintesa/anabolisme) atau reaksi yang dapat mensintesa konstituen-konstituen sel dan produk akhir lainnya sesuai sifat mikrobia.

5 Reaksi EMP dan Krebs disebut juga reaksi amphibolik. Reaksi amphibolik berfungsi mengarahkan dan mutlak diperlukan dalam biosintesa. Karena reaksi amphibolik menghasilkan energi dan senyawa prekursor untuk biosintesa.

6 Pemecahan (metabolisme) karbohidrat oleh mikrobia.

a. Fermentasi alkohol oleh khamir (Saccharomyces)

Jalur HDP

Glukosa 2 piruvat

piruvat

2 NAD2 NAD dekarboksilasa

CO2

etanol

2 asetaldehid

alkohol dehidrogenasa

Skema jalur fermentasi alkohol oleh khamirb.1. Fermentasi asam laktat yaitu homolaktat dan heterolaktat

Fermentasi homolaktat mengikuti jalur HDP lalu dengan ensim laktat dehidrogenase, asam piruvat dirubah jadi asam laktat.

Fermentasi heterolaktat mengikuti jalur HMP. Asetilfosfat diubah menjadi asetil KoA. Oleh ensim asetaldehida dehidrogenasa dan alkohol.

Dehidrogenase akan dihasilkan alkohol. Piruvat oleh ensim laktat dihdrogenase dirubah menjadi asam laktat.

3. Fermentasi asam laktat oleh Bibidolac ferium bifidum. Bakteri ini mempunyai ensim fruktosa 6-fosfat fosfo ketolase dan xilulosa-5-fosfat fosfoketolase yang menghasilkan asetil fosfat. Asetil fosfat akan dirubah menjadi asetat dengan bantuan asetat kinasa.

c. Fermentasi asam propionat

Bakteri asam propionat menghasilkan asam propionat dari karbonat, lalu hasil lainnya asam asetat dan CO2Contoh bakteri asam propionat: Propionibacterium, Clostridium propionicum, Peptostreptococcus elsdeni.

d. Fermentasi asam butirat

Bakteri asam butirat antara lain Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium, Fusobacterium. Selain asam butirat dihasilkan pula asetat, aseton, isopropanol, butanol CO2 dan H2.

e. Fermentasi asam campur butanediol

Fermentasi asam campur dilakukan oleh jenis :

Jenis Enterobacterioceae, genus Escherichia, Salmonella dan Shigella. Hasilnya asam laktat, asetat, suksinat dan formiat, CO2, H2 dan etanol.

Pada fermentasi butanediol, asam-asam organik yang dihasilkan sedikit, lebih banyak CO2, etanol dan menghasilkan senyawa khusus 2,3 butanediol. Bakteri yang berperanan: Enterobacter seratia dan Erwiniaf. Fermentasi senyawa nitrogen organik, dibagi menjadi 3 macam :

1. Fermentsi asam amino tunggal

2. Fermentasi sepasang amino (reaksi stickland)

3. Fermentasi senyawa nitrogen heterosiklik

Bakteri yang berperanan Clostridium. Contoh fermentasi glisin, treonin, glutamat, lisin dan sebagainya.

Fermentasi senyawa N-heterosiklik dapat dilakukan oleh jenis bakteri Clostridium acidi-urici dan Cl. Cylindrosporum.

Kedua bakteri ini memfermentasi guanin, hipoxantin, urat dan xantin.

Latihan soal.

1. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi. Jelaskan salah satu faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.

2. Bedakan antara isolasi metoda crawded plate technique, auxonography dan enrichment culture !

3. Beri contoh lima macam senyawa unsur yang tergolong dalam makronutrien , mikro, mesonutrien dan mikronutrien.

4. Jelaskan fungsi dan sumber nitrogen organik dan anorganik bagi pertumbuhan mikrobia.

5. Mengapa dalam suatu fermentasi antibiotik perlu ditambah prekursor.

Pokok Bahasan III

PERTUMBUHAN MIKROBIA DALAM BIOREAKTOR

Deskripsi Singkat

Pertumbuhan mikrobia adalah peningkatan semua komponen sel, sehingga menghasilkan peningkatan ukuran sel dan jumlah sel (kecuali mikrobia yang berbentuk filamen) akan menyebabkan peningkatan jumlah individu didalam populasi.

Pertmbuhan mikrobia dalam bioreaktor terjadi secara pertumbuhan individu sel dan pertumbuhan populasi pertumbuhan individu sel meliputi peningkatan substansi dan komponen sel, peningkatan ukuran sel serta pembelahan sel. Sedang pertumbuhan populasi meliputi peningkatan jumlah akibat pembelahan sel dan peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesa ensim.

Dalam pertumbuhan mikrobia juga terlibat proses metabolik yaitu mulai dari transport nutrien dari medium kedalam sel, konversi bahan nutrien menjadi energi dan konstituen sel, replikasi kromosom, peningkatan ukuran dan masa sel serta pembelahan sel secara biner yang terjadi pula pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan.Dalam bab ini akan dibahas tentang kinetik pertumbuhan mikrobia dalam sistim sekali unduh, kontinyu dan kultur terputus, studi kinetika pertumbuhan dan fermentasi diperlukan sebagai dasar untuk memahami setiap proses fermentasi. Kinetika pertumbuhan mikrobia terutama menguraikan tentang kecepatan produksi sel (biomasa) dan pengaruh lingkungan terhadap kecepatannya. Pengamatan pertumbuhan mikrobia tidak cukup untuk mengetahui apakah biakan tumbuh atau tidak (pengamatan kuantitatif) tetapi juga diperlukan pengamatan yang bersifat kualitatif dari studi kinetika pertumbuhan.

Pengukuran pertumbuhan secara kuantitatif disajikan dalam bentuk kurva yang menunjukkan hubungan antara waktu dan jumlah biomasa. Data pengamatan pertumbuhan mikrobia perlu diamati parameter-parameter seperti:

1 Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)

2 Waktu mengganda (doubling time)

3 Hasil pertumbuhan (growth yield)

4 Kemampuan metabolime (metabolic quosient)

5 Affinitas substrat

6 Jumlah maksimum biomasa

Kinetika untuk pertumbuhan mikrobia pembentuk koloni, filamen maupun imobilisasi sel memiliki kinetika pertumbuhan yang lebih kompleks.

Tujuan Instruksional khusus

Setelah mahasiswa mempelajari pokok bahasan tentang pertumbuhan mikrobia dalam bioreaktor, maka mahasiswa mampu mengethui pertumbuhan dan menerapkan sistem pertumbuhan serta kinetikanya pada sistim sekali unduh, continue dan fedbatch culture.Apakah yang dimaksud pertumbuhan untuk mikrobia ?

Definisi umum : peningkatan semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia yang membentuk filamen) sehingga terjadi peningkatan jumlah individu di dalam populasi.

Pertumbuhan mikrobia di dalam bioreaktor :

1 Pertumbuhan individu sel :

a. Peningkatan substansi dan komponen sel

b. Peningkatan ukuran sel

c. Pembelahan sel

2 Pertumbuhan populasi

a. Peningkatan jumlah akibat pembelahan sel

b. Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis ensim

Bagaimana mekanisme terjadinya pertumbuhan mikrobia ?Reproduksi sel bakteri :

1. Pembelahan biner : proses pembelahan sel menjadi dua sel anakan yang mempunyai ukuran hampir sama.

2. Melibatkan 3 proses :

a. Peningkatan ukuran sel (pemanjangan sel): memerlukan pertumbuhan dinding sel, yaitu untuk menutup permukaan pada sisi tertentu.

Streptococcus sp ( ( (Escherichia coli ( (

b. Replika DNA: indikasi pertumbuhan awal pada sel bakteri.

c. Pembelahan sel: diawali dengan invaginasi lapisan di bagian tengah sel Hampir semua bakteri menerima DNA.

Proses metabolik apa yang terlibat dalam pertumbuhan ?

1 Transportasi nutrien dari medium ke dalam sel

2 Konversi bahan nutrien sehingga menjadi tenaga dan konstituen sel

3 Replikasi kromosom

4 Peningkatan ukuran dan masa sel

5 Pembelahan sel secara biner yang dibarengi dengan pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan.

KINETIKA PERTUMBUHAN MIKROBIA

Pertumbuhan mikrobia (Prokariota)

1 Sel prokariotik membelah secara biner: 1 ( 2 ( 4 ( 8 ( 16 ( 32 ( 64 ( n.

2 Pembelahan sel dinyatakan sebagai fungsi 2: 21 22 23 24 25 26 2n3 Apabila jumlah sel setelah waktu tertentu = Nt, maka Nt = 1 x 2n jumlah total sel tergantung pada jumlah generasi (pembelahan) yang terjadi didalam waktu tertentu.

4 Apabila jumlah sel awal = N0, jumlah sel dalam populasi dapat dinyatakan sebagai berikut :

Nt = N0 x 2n5 Jumlah total sel dalam populasi = Nt yang merupakan fungsi dari 2, dapat lebih mudah diplot dengan nilai logaritmiknya, sehingga diperoleh garis eksponensial. Didalam praktek digunakan angka dasar 10

log Nt = log N0 + n log2

log Nt - log N0

n = -------------------

log 2

log Nt - log N0

Kecepatan pembelahan sel : k= n/t ( k = -------------------

( k=n/t) (t) log 2

log Nt - log N0

(

k = -------------------

0.301 t

Kecepatan tumbuh suatu bakteri biasanya dinyatakan sebagai jumlah generasi per satuan waktu atau generasi per jam.

6 Waktu generasi (g) adalah waktu yang diperlukan sel didalam suatu populasi untuk membelah diri. Pada umumnya berlangsung konstan dan relatif singkat (menit).

log Nt - log N0 log (2N0) - log N0 0.6931

k = ------------------ = ---------------------- = ---------- g = t/n = 1/k

0.301 g 0.301 x g

g

Cara-cara penentuan pertumbuhan :

1 Menentukan jumlah dalam suatu populasi :

a. Dengan plating menggunakan medium yang sesuai, diperoleh : jumlah x ml-1b. Menghitung secara langsung dengan pengecatan sederhana : jumlah x ml-12 Mengukur kerapatan/densitas

a. Kerapatan optik dngan spektrofotometer (Absorbansi 450-660 nm)

b. Berat kering melalui flitrasi kultur dengan filter (0.20 (m): mg berat kering x ml-1Beberapa parameter yang harus ditentukan didalam penentuan pertumbuhan kultur :

1 Jumlah generasi (n)

2 Kecepatan membelah sel (jumlah jam-1)

3 Waktu generasi rata-rata (jam)

Pengukuran pertumbuhan berdsarkan masa bakteri

1 Secara langsung :

a. Biomasa berdasarkan berat kering (g l-1) dengan melalui sentrifugasi

b. Aktivitas metabolik atau ensim, melalui analisis :

Kandungan N total di dalam kultur dengan teknik mikro Kjeldhal (g l-1)

Kandungan C di dalam kultur dengan menggunakan fenol-sulfat (g l-1)

Kandungan protein dengan metoda Lowry

Kandungan asam nukleat

2 Pengukuran pertumbuhan secara tidak langsung berdasarkan aktivitas metabolik :

a. Keperluan oksigen untuk pertumbuhan

b. CO2 yang dilepaskan dan asam organik yang terbentuk

c. Kekeruhan kultur bakteri

Pengukuran parameter pertumbuhan dikerjakan dengan interval waktu sesingkat mungkin sehingga dapat dideteksi pertumbuhan eksponensial

Pengaruh kecepatan pertumbuhan pada fisiologi sel

1 Semakin tinggi kecepatan pertumbuhan semakin tinggi biomasa

2 Semakin tinggi kecepatan pertumbuhan sel-sel menjadi lebih besar dan mengandung komponen lebih banyak, antara lain: DNA, RNA dan protein

3 Konsentrasi makromolekul meningkat

4 RNA relatif lebih banyak dibanding dengan makromolekul lain, karena ribosom meningkat jumlahnya.

5 Semakin tinggi kecepatan pertumbuhan sel semakin tinggi jumlah DNA

Fase-fase pertumbuhan mikrobia

1 Penentuan fase-fase pertumbuhan dapat dikerjakan dengan menumbuhkan kultur bakteri dengan jumlah tertentu ke medium baru. Pertumbuhan dipantau dengan pengukuran konsentrasi sel pada interval waktu tertentu (jam). Perubahan konsentrasi sel pada waktu tertentu dapat diplot menjadi kurva pertumbuhan.

2 Pengukuran pertumbuhan dilakukan dengan menggunakan sistem tertentu, antara lain kultur sekali unduh (batch culture), kultur berkesinambungan (contuous culture), dan kultur terputus (fed-batch culture).

PERTUMBUHAN KULTUR BAKTERI

1 Dengan menggunakan sistem pemeliharaan khusus :

a. Kultur sekali unduh (batch culture)

b. Kultur berkesinambungan (contineous culture)

c. Kultur terputus (fed-batch culture).

2 Memerlukan kultur murni

3 Medium yang tepat

4 Bejana untuk berlangsungnya pertumbuhan yang disebut bioreaktor.

Kultur sekali unduh (batch culture)

1 Merupakan sistem tertutup

2 Medium segar yang berupa nutrien dengan jumlah tertentu diinokulasi dengan bakteri yang telah diketahui jumlahnya.

3 Nutrien akan habis dan terjadi akumulasi hasil akhir

4 Untuk mempelajari beberapa parameter pertumbuhan, dan faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan

5 Untuk produksi biomasa, metabolit primer dan metabolit sekunder

6 Kultur akan tumbuh melalui beberapa fase

a. Setelah inokulasi terdapat suatu waktu dimana tidak tampak adanya pertumbuhan. Fase tersebut adalah fase lag yang merupakan waktu beradaptasi.

b. Di dalam proses komersial lama fase lag diusahakan sependek mungkin, yaitu dengan menyiapkan inokulum yang sesuai dan sehat

c. Fase berikutnya terjadi peningkatan kecepatan pertumbuhan, sel tumbuh konstan dan mencapai kecemapat maksimum. Fase ini adalah fase eksponensial.

d. Persamaan untuk fase eksponensial adalahdx/dt = ( x

Dimana x : konsentrasi biomasa mikrobia

t : waktu (jam)

( : kecepatan pertumbuhan spesifik (perjam = jam-1)

e. Dalam integrasi maka :xt = xo e(tf. Bila digunakan log normal :ln xt = ln xo + (t7 Selama fase eksponensial akan dicapai kecepatan pertumbuhan maksimum ((max). kecepatan pertumbuhan maksimum sangat spesifik untuk masing-masing jenis mikrobia. Misal aspegillus nidulans mempunyai (max = 0,36; Methylomonas methyanolytica (max = 0,53.

8 Mikrobia tumbuh mengkonsumsi makanan dan mengekskresikan hasil akhir. Hasil akhir yang terbentuk dapat mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.

9 Suatu saat pertumbuhan akan berhenti dan bahkan mati. Berhentinya pertumbuhan disebabkan karena :

a. Kekurangan makanan yang tersedia di dalam medium.

b. Terjadi akumulasi produk yang bersifat ototoksik terhadap jasadnya.

c. Kombinasi keadaan tersebut diatas.

10 Untuk mengetahui berapa banyak substrat pertumbuhan diperlukan, dapat dilakukan percobaan pertumbuhan mikrobia dengan menggunakan konsentrasi substrat yang berbeda, hasilnya dapat dinyatakan dalam pesamaan sebagai berikut :x = Y (S0 St)x : konsentrasi biomasa yang dihasilkan,

Y : faktor hasil S0 : konsentrasi substrat awal St : substrat tersisa

11 Penurunan kecepatan pertumbuhan dan berhentinya pertumbuhan yang disebabkan karena kekurangan substrat, maka dapat diamati hubungan antara ( dan substrat yang tersisa di dalam medium yaitu melalui persamaan Monod (1942) sebagai berikut :

12 St : konsentrasi substrat tersisa Ks : konsentrasi substrat ketika ( = (maxKs biasanya digunakan untuk mengukur afinitas atau spesifikasi substrat

a. Kalau nilai Ks rendah artinya bahwa mikrobia tersebut mempunyai afinitas tinggi untuk substrat pertumbuhannya maka kecepatan pertumbuhan tidak terpengaruh oleh kurangnya substrat

b. Kalau nilai Ks tinggi maka mikrobia tersebut mempunyai afinitas rendah untuk substratnya, artinya kecepatan pertumbuhan sangat dipengaruhi oleh konsentrasi substrat yang relatif tinggi. Kecepatan pertumbuhannya rendah.

13 Fase stasioner pada kultur sekali unduh merupakan titik dimana kecepatan pertumbuhan turun menjadi nol.

14 Menurut Bull (1974): fase stasioner merupakan istilah yang salah karena pada fase ini populasi mikrobia tetap aktif melakukan metabolisme dan aktif menghasilkan metabolit sekunder. Maka fase ini dapat dikatakan sebagai fase populasi maksimum.

15 Beberapa contoh metabolit sekunder : Asam giberelat.

16 Berdasarkan tipe produk metabolisme yang dihasilkan selama pertumbuhan, dikenal dua tipe metabolit :

a. Metabolit primer (ensim, asam organik dan alkohol) dihasilkan pada fase eksponensial (trofofase).

b. Metablit sekunder yang dihasilkan selama fase stasioner atau fase idiofase.

17 Kinetika pembentukan hasil akhir (produk) oleh kultur mikrobia yang dihubungkan dengan pertumbuhan :dp/dt = qpx ..(1)

p : konsentrasi produk

qp : kecepatan spesifik pembentukan produk

18 Hubungan antara pembentukan produk dan produksi biomasa, dapat dinyatakan persamaan :dp/dx = Yp/x

Yp/x : produk yang dihasilkan setelah mengkonsumsi substrat

19 Kalau dp/dx = Yp/x dikalikan dx/dt = (x ( dp/dt = Yp/x . (x (2)

20 Gabungan antara (1) dan (2) :qp = Yp/x. (21 Persamaan di atas dapat dilihat bahwa kecepatan pertumbuhan erat hubungannya dengan kecepatan spesifik pembentukan produk.

Persyaratan yang harus diperhatikan di dalam kultur sekali unduh :

a. Kondisi kultur harus steril sehingga tercapai produksi biomasa yang maksimum

b. Memperpendek fase lag dan memperpanjang waktu eksponensial: diaplikasikan untuk produksi metabolit primer.

c. Memperpendek fase eksponensial: digunakan untuk produksi metabolit sekunder.

d. Fermentasi sekali unduh telah digunakan untuk :

Produksi biomasa : kondisi kultur yang mendukung populasi sel maksimum.

Produksi metabolit sekunder: memerlukan kondisi untukmempercepat tercapainya fase stasioner.

Kultur berkesinambungan (cotinuous culture)

1. Penambahan media baru untuk memperpanjang fase eksponensial

2. Penambahan substrat yang terus menerus dengan kecepatan alir tertentu sehingga mencapai keadaan tunak steady state yang artinya pembentukan sel seimbang dengan terlepasnya sel keluar fermentor.

3. Alat turbidostat : sistem yang dilengkapi dengan pengukur turbiditas, signal listrik yang digunakan untuk mengatur aliran media segar kedalam bejana fermentasi.

4. Aliran medium masuk ke dalam fermentor secara berkesinambungan dengan kecepatan tertentu, maka segera tercapai keadaan tunak (steady state), yaitu keadaan dimana pembentukan biomasa baru seimbang dengan hilangnya sel-sel yang keluar fermentor. Aliran medium tersebut erat hubungannya dengan volume fermentor, sehingga menimbulkan kecepatan pengenceran (D):

F : kecepatan alirD = F / V V : isi fermentor

D : kecepatan alir medium

5. Alat kemostat: alat yang digunakan untuk mengukur pertumbuhan yang dilengkapi dengan bejana penyimpan media, dialirkan dengan kecepatan tertentu, sehingga tidak terjadi akumulasi hasil akhir. Bahkan kemungkinan terjadi pengenceran dan menyebabkan sel terbuang keluar (washed out). Kecepatan pertumbuhan populasi bakteri di dalam kemostat dapat diformulasikan sebagai berikut :

dx

--- = pertumbuhan yang keluar

dt

dx/dt = (X DX ( dx/dt = X (( D) (3)

D : kecepatan pengenceran

Pada kondisi tunak (steady state) : dx/dt = 0 ( (X = DX atau ( = D

Kecepatan terlepasnya sel (washed out) sama dengan kecepatan pertumbuhan, maka kecepatan pengenceran sama dengan kecepatan tumbuh sel yang ada di dalam kemostat. Hubungan antara waktu generasi dan konsentrasi substrat pembatas pertumbuhan :

( = (max s/Ks +s) digabungkan dengan persamaan (3)

dx (max s

--- = X (---------- - D ) (4)

dt Ks + S

( : waktu generasi kultur

(max : kecepatan pertumbuhan maksimal

s : konsentrasi substrat

Ks : konstanta konsentrasi substrat pada ( = (max

Apabila dihubungkan dengan sisa konsentrasi substrat yang dikonsumsi, maka : dS/dt = substrat yang masuk substrat yang keluar substrat yang dikonsumsi sel

dS/dt = Dsa DS - (max x/Y (S/Ks + s) (5)

Pada keadaan tunak ; ds/dt atau dx/dt = 0, maka persamaan (4) dan (5) menjadi :S = Ks D / ((max D)

S = konsentrasi sisa substrat

X = konsentrasi sel pada kondisi tunakX = Y (So S)

Kelebihan kultur berkesinambungan :

a. kesereagaman didalam operasionalnya yang berkaitan dengan produktivitas

b. mudah dikerjakan dengan otomatik

c. mudah terkontaminasi

Kultur terputus (Fed-batch culture)

1. Kultur berkesinambungan terputus adalah sekali unduh yang diberi tambahan makanan secara terus menerus tetapi pengurangan cairan kultur

2. Terjadi peningkatan volume :Xt = Xo + Y (So St)

3. Konsentrasi biomasa akhir yang diproduksi dimana St = 0 maka Xo adalah lebih kecil dari Xmax : Xmax = Y SoPada keadaan X = Xmax maka segera medium segar ditambahkan sehingga:

D < Xmax D = F/(V + Ft)

4. Aplikasi kultur berkesinambungan terputus :

a. untuk memelihara kultur aerobik

b. untuk menghindarkan kultur dari pengaruh substansi yang toksik di dalam medium

Latihan soal untuk pertumbuhan

1. Selama pertumbuhan bakteri dalam kultur sekali unduh, biomasa meningkat dari 2,1 mg berat kering sel per ml dalam waktu 15 menit. Hitung kecepatan tumbuh spesifik bakteri tersebut dan waktu bergandanya. Asumsi apa saja yang harus anda kerjakan untuk menghitung parameter pertumbuhan ?

2. pertumbuhan eksponensial menyebabkan populasi bakteri meningkat dari 4 x 108 sel per ml menjadi 6,25 x 108 sel per ml dalam waktu 30 menit. 1012 sel ekivalen dengan 2,5 x berat kering sel. Berapa kecepatan tumbuh dan waktu berganda kultur tersebut.

3. medium segar dialirkan secara kontinyu ke dalam kemostat (V = 3,250 L) dengan kecepatan 15 ml per menit. Berapa kecepatan pengenceran yang terjadi di dalam kemostat tersebut dan berapa waktu tinggal dan waktu berganda kultur pada kondisi tersebut.

4. Pseudomonas sp ditumbuhkan di dalam kemostat dengan glukosa sebagai substrat pembatas pertumbuhannya (So = 10 g l-1). Buatlah plot secara teori bakteri tersebut dalam keadaan tunak (steady state). Hitung berapa kecepatan pengencerannya! Berapa nilai produktivitasnya apabila (max = 1 per jam; Ks = 0,1 g.l-1; Y = 0,5 g berat kering per g substrat

POKOK BAHASAN IV

ISOLASI, SELEKSI DAN PENYIAPAN SERTA

PENINGKATAN SIFAT MIKROBIA

Deskripsi Singkat

Isolasi merupakan salah satu tahapan seleksi mikrobia yang sangat potensial dalam Industri. Isolat mikrobia yang diperoleh dan bersifat unggul digunakan untuk memproduksi senyawa yang bersifat komersial.

Metode isolasi mikrobia dapat menggunakan cara Crowded Plate Technique, Auxonography, dan kultur diperkaya. Penyimpanan kultur hasil isolasi diusahakan untuk mengurangi terjadinya pengurangan sifat genetik, mencegah terjadinya kontaminasi serta menjaga viabilitas.

Teknik penyimpanan kultur mikrobia melalui cara disimpan pada suhu rendah atau dalam bentuk kering. Penyimpanan mikrobia dalam suhu rendah meliputi penyimpanan dalam media agar miring, spora dalam pasir steril, dalam nitrogen, sedang penyimpanan dalam kondisi kering, contohnya kultur pasir dan lyophilisasi.

Mikrobia yang berperan dalam industri perlu ditingkatkan aktivitas metabolismenya, sebab isolat alami hanya mampu menghasilkan produk dalam jumlah sedikit. Caranya dengan transformasi lisogeni, rekombinasi dan pembuatan mutan auxotrof.

Tujuan Instruksional khusus

Mahasiswa setelah mempelajari pokok bahasan IV mampu mengisolasi dan seleksi serta meningkatkan aktifitas mikrobia dan penyimpanannya.

1. Metoda penemuan mikrobia baru

Kultur baru dapat diisolasi dari sumber di alam yaitu substrat alami material organik, biji-bijian, dan air, tanah, udara. Contoh Penicellium notatum dari kontaminan pada media agar yang ditumbuhi Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis dan B. licheniformis penghasil protease alkaline diisolasi dari hippopptatmus burung di Copenhagen.

2. Metoda isolasi dari tanah.

a. Crowded plate technique untuk mendapatkan isolat jamur penghasil antibiotik dengan cara taburkan jamur diinokulasi bakteri uji (Staphylococcus aureus).

b. Auxonography untuk isolasi mikrobia penghasil faktor tumbuh. Tanah yang telah disuspensikan dituang dipermukaan agar yang telah diinokulasi dengan bakteri auxotrof = (bakteri pengguna faktor tumbuh/vitamin atau asam amino)

c. Kultur diperkaya

Untuk isolasi mikrobia penghasil ensim dalam media diperkaya dengan esktrak substrat yang ditumbuhi oleh mikrobia yang akan diisolasi, misal ditambah ekstrak tanah.

3. Penyimpanan mikrobia yang penting dalam industri

Mikrobia komersial adalah sangat penting untuk industri fermentasi,

Penyimpanan kultur dengan beberapa cara :

a. Penyimpanan dalam nutrien agar miring lalu disimpan dalam refrigerator (50 C) atau freeezer (-200 C), kapas dibakar kemudian ditutup dengan mineral oil.

b. Penyimpanan spora jamur benang dalam akuades steril disimpan pada suhu 50 C, cara ini jarang dipakai.

c. Penyimpanan mikrobia dalam nitrogen cair. Mikrobia disimpan dalam freezer suhu -1500 C sampai -1960 C.

d. Penyimpanan mikrobia dalam bentuk dehidrasi

1. Penyimpanan ini digunakan untuk aktinomesetes dengan menumbuhkan dalam media, lalu dikeringkan pada suhu kamar selama 2 minggu atau dalam refrigerator.

2. Lyophilisasi (freeze-drying)

Penyimpanan mikrobia menggunakan CO2 kering, dalam kondisi vaccum, penyimpanan ini, kultur ditumbuhkan sampai fase stationer maksimum dan sel dilindungi dalam media susu, serum dan sodium glutamat

4. Peningkatan aktivitas mikrobia

a. Pembuatan mutan autro dengan dua sistem , yaitu sistem regulasi iso ensim dan multi valent regulator

b. Transformasi buatan dan alami. Bila transformasi buatan, DNA diekstraksi lalu dipindahkan ke media yang ditumbuhi mikrobia resipiennya. Contoh: transformasin Streptomyces ini dapat mensintesa streptomisin dan chlortetracyclin

c. Lisogeni

Metode ini dipakai untuk menghasilkan strain baru menggunakan phage. Contoh Streptomyces olivaccus penghasil antibiotik, strain baru kemampuan lebih besar dari pada kultur induknya. Contoh lain strain lisogeni mampu menghasilkan tirosin 10 kali lebih besar

d. Rekombinasi.

Cara reombinasi dari dua spesies mikrobia dapat digunakan untuk membuat rekombinasi baru. Pembuatan rekombinasi baru ini melalui proses seksual. Contoh : Streptomyces rimosus dikombinasi dengan strain penghasil oxitetracyclin.

Latihan soal pokok bahasan IV

1. Jelaskan cara isolasi bakteri dari tanah, sampai mendapatkan biakan murni?

2. Apakah perbedaan antara crowded plate technique dan Auxonagraphy

3. Pilihlah penyimpanan kultur yang paling murah dan mudah dikerjakan

4. Jelaskan salah satu cara peningkatan kultur mikrobia untuk mendapatkan strain unggul?

5. Apakah yang dimaksud dengan :

a. lisogeni

b. transformasi

c. lyophilisasi

Pokok Bahasan V

RANCANG BANGUN BIOREAKTOR

Deskripsi singkat

Bioreaktor (fermentor) merupakan bejana fermentasi aseptis untuk produksi senyawa oleh mikrobia melalui fermentasi. Kendala yang timbul adalah terjadinya kontaminasi selama proses fermentasi terutama bila sistemnya berkesinambungan (kontinyu)

Bioreaktor dirancang untuk proses fermentasi secara anaerob dan aerob. Apakah sistem sekali unduh berkesinambungan atau nutrien terputus. Fungsi bioreaktor adalah untuk menghasilkan produk oleh mikrobia baik kultur murni atau campuran, yang dikendalikan menggunakan sistem komputer dalam mengatur faktor lingkungan dan pertumbuhan serta kebutuhan nutriennya.

Rancangan dan kontruksi bioreaktor perlu diperhatikan tentang bejana harus dapat dioperasikan dalam jangka waktu lama, serasi dan afitasi memadai untuk kelangsungan proses metabolik mirkobia, sistem kontrol suhu, pH dan penambahan nutrien, bejana harus dapat dicuci dan disterilisasi fasilitas sampling harus ada konsumsi tenaga serendah mungkin, bahan kontroksi murah dan evaporasi diusahakan tidak terlalu besar.

Macam-macam bioreaktor ada empat yaitu :

Bioreaktor tangki adukan (stirred tank bioreaktor), kolum gelembung (Bubble

colum bioreaktor), dengan pancaran udara (Airlift bioreaktor) dan bioreaktor terkemas padat (Packed bed bioreaktor)

Tujuan Instruksional khusus

Mahasiswa mampu menyeleseikan fungsi bioreaktor dan mengetahui bentuk dan macam bioreaktor serta operasi pengendaliannya.

Suatu kebutuhan untuk melangsungkan dan pengembangan proses untuk produksi hasil fermentasi yang melibatkan mikrobia adalah bejana fermentasi yang aseptis, disebut FERMENTOR atau BIOREAKTOR

Apakah FERMENTOR atau BIOREAKTOR ?

Bejana untuk melaksanakan proses industri

Ukuran bervariasi : 5- 10 literuntuk skala laboratorium

10 500 literuntuk skala percobaan

50- 400.000 literuntuk skala industri besar

Ukuran bioreaktor tergantung pada :

Proses : sekali unduh, berkesinambungan, nutrien terputus.

Bagaimana proses yang dioperasikan : pancaran ke bawah (down flow) atan pancaran keatas (up flow)

Produk yang diproduksi

No.Ukuran fermentorProduk

1.

2.

3.

4. 1 20.000

40 80.000

100 150.000

lebih dari 450.000Ensim diagnostik, substansi biologi molekuler

Ensim dan antibiotik

Penisilin, antibiotika aminoglikosida, protease, amilase, transfomasi steroid, asam amino

Asam amino, asam glutamat

Proses yang berlangsung selama produksi : proses aerobik, anaerobik.

Proses kultur tungal atau kultur campuran

Fungsi Dasar Fermentor atau Bioreaktor

Suatu tempat yang menyediakan lingkungan yang tepat dan dapat dipantau untuk pertumbuhan dan aktivitas mikrobia atau kultur campuran tertentu untuk menghasilkan produk yang diinginkan.

Desain dan konstruksi bioreaktor harus memperhatikan beberapa hal :

a. Bejana dapat dioperasikan dalam keadaan aseptis untuk jangka waktu lama.

b. Aerasi dan agitasi cukup memadai untuk kelangsungan proses metabolik mikrobia.

c. Konsumsi tenaga serendah mungkin.

d. Sistim kontrol temperatur, pH harus ada.

e. Fasilitas untuk sampling harus ada.

f. Evaporasi diusahakan tidak terlalu besar.

g. Bejana harus dapat dicuci, dibersihkan dan mudah dipelihara, mempunyai geometri yang sama baik untuk laboratorium maupun skala industri.

h. Dikonstruksi dari bahan yang murah.

Karakteristik fermenter

Fermentor anaerobik memerlukan alat khusus kecuali untuk menghilangkan panas.

Fermentor aerobik memerlukan alat untuk mengaduk dan memberikan aerasi cukup.

Konstruksi fermentor aerobik

Tebuat dari baja anti karat.

Berupa silinder besar, tertutup di bagian atas atau bawah, dilengkapi pipa-pipa (Gambar 1).

Bagian fermentor terpenting: sistem aerasi berperan dalam transfer oksigen dari bentuk gas ke bentuk cair.

Karena oksigen itu tidak mudah larut dalam air, maka perlu agitasi atau pengadukan atau disebut impeller dan sparger (alat untuk memecah gelembung udara yang masuk melaluinya)

Process control and monitoring meliputi :

Pantauan proses : untuk memantau aktivitas mikrobia dalam fermentasi seperti yang diinginkan.

Kontrol : pH, temperatur, masa sel dan konsentrasi produk

Kontrol komputer proses fermentasi untuk :

Memperoleh data yang menunjukkan perubahan selama fermentasi.

Mengendalikan faktor lingkungan yang harus selalu dipantau

Peningkatan kinerja fermentor/bioreaktor (Scale-up)

Beberapa aspek mikrobiologi industri adalah perpindahan dari skala laboratorium ke skala industri. Prosedur ini disebut peningkatan proses (scale-up)

Mengapa scale up itu sangat penting

Karena aktivitas masing-masing mikrobia pada fermentor skala laboratorium itu sama

Mengapa proses mikrobia berbeda antara skala industri dengan skala laboratoirum?

Mengapa pengetahuan scale up sangat esensial?

Pengadukan dan oksigen lebih mudah ditangai pada fermenter kecil.

Kalau ukuran fermentor ditingkatkan,

Maka perbandingan antara permukaan/volume berubah.

Bioreaktor besar maka volume meningkat, memberikan area permukaan yng meluas.

Transfer lebih oksigen sukar terjadi.

Hampir semua bioreaktor pada umumnya aerobik maka transfer oksigen yang efektif sangat diperlukan.

Perlu media yang kaya sehingga terjadi peningkatan biomasa yang perlu oksigen lebih besar.

Scale up proses industri merupakan tanggung jawab insinyur biokimia karena mereka ahli dalam transfer oksigen, dinamika cairan, pengadukan dan termodinamika, bekerja sama dengan ahli mikrobiologi industri untuk memastikan semua parameter yang diperlukan sehingga menghasilkan proses fermentasi berlangsung dengan baik.

Ahli mikrobiologi industri sangat diperlukan dalam scale-up yaitu berperan untuk meningkatkan strain mikrobia yang tepat yang diaplikasikan pada proses skala besar.

Transfer proses dari laboratorium ke bioreaktor skala industri, beberapa tahapan proses yang harus diperhatikan :

1. Tahap percobaan di laboratorium: menunjukkan indikasi fermentasi menarik untuk diaplikasikan ke industri.

2. Percobaan tahap awal di laboratorium untuk optimasi pertumbuhan dan aktivitas mikrobia peningkatan proses, menggunakan fermentor gelas (1-5 liter). Percobaan di laboratoirum, meliputi menguji berbagai macam media, temperatur, pH, dan sebagainya semurah mungkin (Gambar 1).

3. Tahap percobaan lapangan (pilot plant stage) biasanya menggunakan bioreaktor 300 3.000 liter. Pada tahap ini kondisi mendekati dengan skala industri.

4. Tahap komersial atau industri, menggunakan fermentor 10.000 400.000 liter.

Aerasi dan agitasi

Aerasi diperlukan untuk pengadaan oksigen yang cukup demi kelangsungan hidup mikrobia yang ditumbuhkan dalam medium cair (kultur tenggelam- submerged culture)

Agitasi diperlukan untuk mencampur semua isi bioreaktor sehingga diperoleh kondisi homogen

Tipe sistem aerasi dan agitasi sangat tipikal tergantung pada karakteristik proses fermentatif yang diinginkan. Aerasi dapat diadakan dengan mengalirkan udara steril melalui aerator, kemudian gelembung udara dibuat sekecil mungkin, sehingga memungkinkan terjadi oksigen udara masuk ke fase cair. Gelembung udara dapat diperkecil melalui alat yang porus disebut sparger. Agitasi selain berfungsi sebagai pengaduk (agitator) juga dapat berfungsi untuk memecah gelembung yang lewat di dalam medium. Agitator atau disebut impeller ini khususnya didesign khusus yang diperlukan untuk fermentor yang digunakan untuk menumbuhkan fungi atau aktinomisetes.

Komponen utama struktur fermentor yang diperlukan aerasi dan agitasi :

a. Agitator (impeller)

b. Pengaduk

c. Sistem aerator

d. Saringan halus atau penyekat (baffle)

Macam-macam reaktor

1. Bioreaktor tanki adukan (stirres tank bioreactor), udara disirkulasikan melalui medium yang diaduk dengan impeller.

2. Biorekator kolum gelembung (Bubble column bioreactor): udara dialirkan melalui sparger di dasar bejana.

3. Bioreaktor dengan pancaran udara (Airlift bioreactor): terdiri dari dua kolum yang dimasukkan ke dalam kolum yang lain. Udara dipaksa masuk melewati pipa sehingga udara dapat terpancar keatas dan medium ikut terbawa.

4. Bioreaktor terkemas padat: diisi dengan bahan padatan yang dapat menjaring mikrobia masuk kedalamnya. Medium dapat dipompakan melalui mikrobia dengan arah ke atas atau ke bawah (Gambar 2).

Latihan soal :

1. Mengapa bejana fermentasi disebut dengan fermentor atau bioreaktor

2. Jelaskan perbedaan fermentor aerob dan anaerob

3. Sebutkan faktor-faktor yang perlu diperhatikan dalam merancang

fermentasi.

4. Apakah yang dimaksud dengan :

a. Scale-up

b. Agitasi.

c. aseptis

BAB VI. PENGUNDUHAN DAN PURIFIKASI

Deskripsi Singkat

Ekstraksi dan purifikasi produk fermentasi biasanya sulit dilakukan dan biayanya mahal. Pada kenyataannya salah satu cara untuk mendapatkan produk yang berkualitas tinggi dan cepat diharapkan biayanya murah.

Kebanyakan produk fermentasi dihasilkan kedalam media dan ekstraksi dari sel. Pungunduhan produk mikrobia memerlukan biaya sebanyak 20% sampai 605 dari biaya produksi. Pengunduhan produk didasarkan atas beberapa kriteria : produk ekstra selular atau infraseluler, konsentrasi produk dalam media fermentasi, sifat fisik dan kimia produk, kemurnian dalam media, standardisasai permintaan, kegunaan dari produk dan harga produk dipasaran.

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan padatan sel dan buih, presifikasi, sentrifuge, ultrasentrifuge, pemecahan sel, penggunaan solven, kromatografi, penyaringan dan kristalisasi.

Produk diekstraksi dari medium dipisahkan dari sel. Berat molekul produk asam laktat dan asam glutamat rendah, seang antibiotik atau ensim konsentrasinya tinggi. Tapi konsentrasi vitamin B12 rendah, yaitu hanya mgr per liter.

1. Pengunduhan produk ekstraseluler dapat digambarkan sebagai berikut :Kultur fermentasi farksi larut

Produk

diencerkan

Sel dan bahan

tak larut

Pemurnian

PRODUK AKHIR

2. Pengunduhan produk yang tidak larut :

Gravitasi Mekanik Penyerapan

permukaan Listrik

sentrifugasi flokulasi absorpsi flotasi

filtrasi dialisa permukaan

ion

elektro- elektro- elektro

foresis dialisa osmosis

3. Contoh pengunduhan mikrobia dengan cara sentrifugasi

MikorbiaDiameter (()Metode

Virus, phage

Bakteri

Khamir

Fungi filamentous0,01 0,1

0,30 3,0

4,00 7,0

10,0 150Ultrasentrifugasi

Normal

Normal

Normal

4. Flokulasi sangat esensial untuk bir

Senyawa flukulan : aluminium sulfat (0,1 0,5 %), CaCl2 (0,1 0,5 %), titanium tetrakloride (0,01 0,02 %), garam alkylamin dan alkylpyridinium digunakan 0,01 % - 1,0 %.

Latihan Soal Pokok Bahasan VI

1. Jelaskan perbedaan antara pengunduhan senyawa ekstraseluler dan intraselular?

2. Bagaiman car mendapatkan senyawa metabolit primer supaya mendapatkan produk dalam jumlah besar?

3. Jelaskan cara pemisahan biomassa jamur benang dalam memproduksi pinisilin?

4. Jelaskan cara pemisahan produk metabolit secara kimiawi?

5. Apakah yang dimaksud dengan :

a. Purifikasi

b. Ekstraksi

c. Fase idiofase

Pokok Bahasan VII

FERMENTASI METABOLIT PRIMER

Deskripsi singkat

Metabolit primer adalah senyawa yang termasuk produk akhir yang mempunyai berat molekul rendah dan dihasilkan pada fase eksponensial oleh mikrobia .

Senyawa metabolit primer di gunakan untuk membentuk makromolekul atau yang dikonversikan menjadi koenzim senyawa antara seperti asam amino nukletida purin, pirimudin, vitamin, asam organik, seperti asam sitrat, asam fumarat, aseton butanol asam asetat dan enzim termasuk metabolit primer.

Metabolit primer lainnya adalah yang termasuk senyawa antara pada jalur reaksi Embden Meyerhof, jalur pentosafozfet, dan siklus asam triherboksilat (Siklus Krebs). Untuk produksi senyawa metabolit primer dipilih mikrobia yang potensial untuk fermentasi.

Tujuan Intruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan fermentasi metabolit primer misalnya aseton butanol, asam cuka, asam sitrat, etanol, enzim dan vitamin

A. Fermentasi Aseton Butanol oleh Bakteri

Bakteri yang berperanan dalam fermentasi aseton butanol adalah Clostridium acetobutyricum, Clostridium butyricum. Inokulum Clostridium acetobutyricum jika dipakai berkali-kali sifatnya menurun, maka diperlukan HEAT SHOCKING.

Bahan dasar yang digunakan : padi, tepung tapioka, arabinosa, xylosa

Sumber nitrogen yang dibutuhkan : protein, pepton, dan asam amino

Kondisi fermentasi ; suhu optimum 37o C, anaerob, pH 4,7-8, konsentrasi bahan dasar 3 10 %.

Produk akhir : fermentasi aseton butanol dari glukosa menghasilkan n-butanol 8 bagian, 3 bagian aseton dan 1 bagian etanol. Bila menggunakan xylosa, sukrosa, dan lefulosa sama hasilnya dengan glukosa. Sedang bila bahan dasarnya arabinosa akan menghasilkan rasio butanol : aseton : etanol = 5 : 4 : 1

B. Fermentasi Asam Cuka

Kata vinegar (cuka) berasal dari istilah Perancis vinaigre yang berarti anggur asam. Menurut Food and Drugs Administration di Amerika Serikat, cuka, cuka sari buah apel, cuka apel, dibuat melalui fermentasi alkoholik sari buah apel diikuti fermentasi asetat (Pelczar and Chan, 1988). Sedangkan menurut Frazier (1976), cuka didefinisikan sebagai bumbu yang dibuat dari bahan yang mengandung pati atau gula dengan fermentasi alkohol diikuti oksidasi asetat.

A. Bahan dasar

Ada bermacam-macam cuka, perbedaannya terutama terletak pada bahan yang dipakai dalam fermentasi alkohol, seperti macam sari buah, sirop, dan bahan yang mengandung pati yang dihidrolisis. Bermacam-macam bahan yang dapat dibuat menjadi cuka diantaranya adalah :

1. Sari buah-buahan, misalnya apel, anggur, jeruk, dan sebagainya.

2. Sayur-sayuran yang mengandung pati, misalnya kentang atau kentang . manis, yang mana pati harus dihidrolisis menjadi gula lebih dahulu.

3. Biji-bijian gandum, seperti barley, gandum hitam, jagung, dan gandum.

4. Minuman keras atau alkohol, misalnya dari bir, atau dari etil alkohol . . yang berubah sifat.

B. Mikrobia yang berperan

Mikrobia yang berperan dalam proses pembuatan cuka adalah khamir dan bakteri. Khamir yang berperan adalah Saccharomyces cerevisiae Var. ellipsoideus. Sedangkan bakteri yang berperanan adalah dari genus Acetobacter (familia Pseudomonadaceae) dan genus Bacterium. Beberapa spesies Acetobacter diantaranya adalah : Acetobacter aceti, A. rancens, A. xylinum. Bacterium yang ditemukan adalah : Bacterium schentzenbachii, B. curvum, dan B. orleanense1.Proses pembuatan

Pada proses pembuatan cuka terjadi 2 macam perubahan biokimiawi, yaitu :

1. Fermentasi gula menjadi etil alkohol, dan

2. Oksidasi alkohol menjadi asam asetat

Tahap pertama adalah proses anaerobik yang dilakukan khamir dan menghasilkan alkohol

Reaksi : C6H12O6 2 CO2 + 2 C2H5OH

Glukosaalkohol

Pada proses ini sejumlah kecil produk lain dihasilkan, seperti gliserol dan asam asetat. Juga ada sejumlah kecil substansi lain, dihasilkan dari senyawa selain gula, termasuk asam suksinat dan amil alkohol.

Alkohol yang dihasilkan pada proses pertama digunakan sebagai sumber energi bagi bakteri, yang kemudian mengoksidasinya menjadi asam asetat. Bakteri ini menggunakan substansi lain dalam cairan yang difermentasi sebagai makanan.

Reaksi yang merupakan reaksi aerob ini dapat dituliskan sebagai berikut :

C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O

Alkoholasam asetat

Asetaldehid adalah senyawa intermedier dalam reaksi ini. Di antara produk akhirnya adalah sejumlah kecil aldehid, ester, aseton, dan sebagainya.

Bau cuka yang sedap berasal dari adanya bermacam-macam ester seperti etil asetat, dari alkohol, gula, gliserin dan minyak menguap yang dihasilkan dalam julah kecil oleh aksi mikrobia. Bau ni dapat juga berasal dari sari buah-buahan yang difermentasi, gandum, atau cairan bersifat alkohol lainnya, dari mana cuka dibuat.

Metode pembuatan cuka dapat dibedakan menjadi metode lambat seperti yang dikerjakan di rumah, atau metode let alone, metode Perancis atau Orleans, dan metode cepat, seperti proses pembuatan dengan genera atau prosedur fogging. Pada metode lambat, cairan alkohol tidak bergerak selama asetifikasi, sedangkan pada metode cepat, cairan alkohol bergerak. Metode lambat menggunakan sari buah-buahan yang difermentasi atau cairan gandum untuk menghasilkan asam asetat. Sedangkan metode cepat kebanyakan untuk menghasilkan cuka dari minuman keras (alkohol). Cairan gandum atau buah disediakan untuk makanan bakteri cuka, tetapi untuk memelihara bakteri cuka aktif dalam metode cepat menggunakan alkohol, ditambah dengan vinegar food, yang merupakan kombinasi senyawa organik dan anorganik.

Prosentase cuka dinyatakan dalam grain, yaitu 10 kali jumlah gram asam asetat per 100 ml cuka. Jadi cuka 40 grain mengandung 4 gram asam asetat per 100 ml cuka pada suhu 200 C.

3.Penyebab kerusakan cuka

Logam dan garam-garamnya menyebabkan kekeruhan dan perubahan warna cuka. Kerusakan yang disebabkan mikroorganisme dapat menyebabkan rendahnya mutu bahan dari mana cuka dibuat atau rendahnya mutu cuku itu sendiri. Spesies Lactobacillus dan Leuconostoc dalam sari buah-buahan tidak hanya bertanggung jawab pada rasa tidak enak, tetapi juga menghasilkan asam asetat yang cukup mengganggu fermentasi alkohol oleh khamir. Pada keadaan anaerob, bakteri asam butirat menghasilkan asam yang tidak diinginkan. Kesulitan ini dapat dikurangi dengan penambahan sulfur dioksida pada sari buah, tetapi kemikalia ini menghambat bakteri cuka.

Kerusakan cuka diantaranya adalah rusaknya asam asetat pada produk. Lapisan tipis bakteri pada proses pembuatan cuka mengurangi kecepatan asetifikasi. Oksidasi asam asetat dalam cuka menjadi karbondioksida dan air dapat ditimbulkan oleh bakteri asam asetat sendiri selama proses pembuatan cuka jika kekurangan alkohol atau aerasinya berlebihan. Organisme lain yang dapat mengoksidasi asam asetat pada keadaan aerob adalah lapisan khamir, jamur benang dan algae.

5.Fermentasi Asam Sitrat oleh Jamur Benang

Asam sitrat dihasilkan oleh Penicillium luteum, Mucor puriformis, Aspergillus niger.

Faktor yang menentukan dalam fermentasi asam nitrat :

6. Sumber C

2.Garam organik

3. Perbandingan permukaan dengan volume medium

4.pH, suhu, dan oksigen

5.Organisme

Ad. 1. Senyawa organik yang mempunyai senyawa atom C 2,3,4,5,6,7, dan 12. Banyak digunakan sukrosa, fruktosa, laktosa, dan glukosa. Konsentrasi gula 14 20 %.

Ad. 2. Garam organik setiap liter memerlukan NH4NO3: 2 2,5 gram, KH2PO4: 0,75 1,0 gram, MgSO4 7H2O: 0,2 0,25 gram, HCl 5 N sebanyak 5 cc, pH 3,4 -3,5.

Ad. 3. Perbandingan permukaan dan volume.

Apabila volume media besar kemudian permukaannya dalam asam sitrat yang terbentuklambat, sedang bila permukaan luas akan terbentuk asam sitrat lebih cepat.

Ad. 4. Persediaan oksigen

Oksigen dibutuhkan untuk pertumbuhan jamur Aspergillus niger, Aspergillus wentii. Erlenmeyer diberi oksigen 15 ml per menit. Suhu digunakan 25 350 C. Lama fermentasi 7 10 hari. Produk diambil dengan menambahkan Ca, lalu Ca sitrat diendapkan dngan asam sulfat, lalu asam sitrat dipisahkan dari kalsium sulfat.

5. Aktivitas Khamir dalam Fermentasi Minuman beralkohol

Pendahuluan Hampir sebagian besar industri minuman beralkohol menggunakan produk pertanian sebagai bahan mentah dan khamir yang mengkonversikan menjadi minuman. Semua bahan organik yang terkandung dalam produk pertanian khususnya buah-buahan demikian ada beberapa aktivitas khamir yang tidak diinginkan karena khamir tersebut sebagai agen pembusuk buah. Proses akibat aktivitas khamir yang telah lama dikenal adalah fermentasi bir dan minuman anggur (wine). Proses tersebut melibatkan khamir yang secara alami banyak terdapat dalam buah-buahan atau biji-bijian yaitu genus Saccharomyces. Beberapa jenis khamir yang terlibat dalam fermentasi minuman beralkohol tercantum pada tabel 1

Tabel 1. Fermentasi yang dilakukan oleh khamir

Produk fermentasiMikrobia

Bir

Anggur (wine)

Cider

Sake dari beras

Tuak

Madu difermentasikan

Tape

Kumiss dari susu (Rusia)

Kecap

Miso dari kedelai dan berasSaccharomyces carlbegensi dan S. cerevisieae

Saccharomyces cerevisieae var. ellipsoides

Saccharomyces cerevisieae var. ellipsoides

Saccharomyces sake dan Aspergillus

Saccharomyces cerevisieae dan Schyzosacharomyces

Saccharomyces cerevisieae

Saccharomyces cerevisieae, Candida tropicalis dan

Pediococcus

Saccharomyces cerevisieae, Lactobacillus

Saccharomyces dan Aspergilllus oryzae

Saccharomyces rouxii, Aspergilllus oryzae

Fermentasi bir

Minuman fermentasi yang tertua adalah bir :

Pada tahun 4000 SM bir dibuat dari :

Gandum (barley), padi-padian atau bijian yang lain, yang diolah menjadi roti, kemudian dihancurkan disuspensikan dengan air dan difermentasikan.

Rasanya ada yang manis dan ada yang masam.

Sebelum tahun 700, bir dibuat dari :

Biji-bijian tanpa ditambah hop (bunga) sehingga rasanya berbeda dengan bir sekarang

Ditambah rempah-rempah.

Pada abad ke 15, bir telah menggunakan hop

Sekarang bir terbuat dari :

Kecambah gandum (malt), tepung beras atau jagung, air, hop.

Difermentasikan dengan menggunakan khamir

Mekanisme proses fermentasi bir tersbut :

Pati dari kecambah gandum, beras atau jagung dikonversikan menjadi maltosa dan dekstrin yang dibantu oleh ensim yang terdapat dalam kecambah gandum.

Campuran karbohidrat yang diperoleh tersebut dalam bentuk larutan yang disebut worl, direbus bersama-sama dengan hop, didinginkan

Difermentasikan menjadi bir yang beralkohol, CO2 dan sisa-sisa dekstrin.

Bir telah jadi mengandung :

a. Air, dekstrin, alkohol dan CO2b. Gula-gula yang tak dapat difermentasikan, protein dan senyawa aromatik yang berasal dari resin hop

c. Dan hasil samping minyak fussel

Proses-proses penting dalam pembuatan bir :

1. Malting : perkecambahan barley di rumah kecambah gandum (Malthouse)

(Gambar 1).

Sampai 3 hari

ditapis

5 sampai 7 hari

dengan 45 % air

00 C untuk malt encer (agak . jernih)

50 C untuk malt kental

dengan 3-4 % air

KE TEMPAT FERMENTASI

2. Kecambah gandum berisi :

Ensim yang merombak pati dari malt itu sendiri dan pati-pati yang ditambahkan (beras atau jagung)

Sumber protein bir yang penting artinya untuk pembentukan buih

Memberikan aroma yang tipikal

3. Proses perkecambahan barley

a. Barley dicuci, direndam ari sehingga memungkinkan baley berkecambah

b. Air ditapis

c. Perkecambahan dilanjutkan sampai 5 atau 7 hari

d. Selama perkecambahan, -amilase, dan terbtnuk ensim baru yaitu -amilase

e. -amilase berperan menyerang pati yang ada disekitarnya, hanya menyerang pada (rantai C yang laurus) dan tidak mampu menyerang rantai C yang bercabang (amilodekstrin). -amilase berperan dalam pembentukan gula akhir.

f. Ensim lain yaitu :

Protease meningkatkan ke larutan protein

Sitase yang mendegradasikan beberapa gum pentosan

Filase yang melepaskan gugus fosfat dan inositol

4. Pemasakan atau pemanasan

a. Selama pemanasan sering timbul reaksi pencoklatan (browning) karena melanoidin meningkat

b. Melanoidin sangat penting untuk memberi warna dan aroma yang khas.

5. Komposisi bir : alkohol 3,8 % - 5 %

Dekstrin4,3 %

Protein0,3 %

Abu0,3 % dan CO26. Mikrobiologi brewing

a. Khamir sangat menentukan kualitas bir: memberikan aroma dan sejumlah oligosakarida yang tidak terfermentasikan.

b. Pada bir lager menggunakan S. carlsbergensis yang mampu memfermentasikan melibiosa dan gas; sedangkan S. cerevisieae tidak mampu memfermentasikan melibiosa.

c. Selama proses fermentasi gula dikonversikan menjadi alkohol, CO2 dan sedikit gliserol, serta asam asetat dari hasil fermentasi karbohidrat yang lain. Protein dan lipid yang terkandung di dalam wort sebagian difermentasikan menjadi alkohol, asam dan ester yang memberikan aroma yang khas. Bir yang dihasilkan berwarna hijau, maka perlu pemeraman lebih lanjut (aging)

d. Selama aging protein, khamir dan resin dipresipitasikan sehingga beir menjadi masak dan jernih dengan aroma yang lembut. Bir tersebut diunduh dengan melalui penyaringan, kemudian diinjeksi dengan CO2 agar terbentuk buih-buih (sparkling). Pada umumnya CO2 yang terbentuk selama fermentasi ditampung ke dalam bejana yang kemudian diijeksikan kembali setelah proses akhir. Kandungan CO2 di dalam bir sekitar 0,45 % - 0,5 %. Beberapa industri bir sering menambah sedikit gula kedalam masing-masing botol untuk mempertahankan proses fermentasi tetap berlangsung.

e. Proses terakhir adalah bottling dan pasteurisasi sekitar 60-65 0C kemudian disaring.

f. Mengapa tidak banyak mikrobia mengkontaminasi bir :

Khamir menggunakan O2 dengan cepat dan menghasilkan CO2 Hop mengandung -resin dan humulon yaitu senyawa antimikrobia khususnya terhadap bakteri gram positip

Bir mempunyai pH asam (3,7 4,5)

Alkohol yang dihasilkan juga mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.

Bir disimpan pada suhu dingin.

g. Kontaminan selama brewing bir : Lactobacillus pastorianus dan Pediococcus cereviseae, Flavobacterium proteus.

h. Fermentasi dilakukan pada suhu rendah, sekitar 2 minggu untuk produksi bir

i. Produksi komersial bir dilakukan :

Dengan proses sekali unduh

Dengan proses berkesinambungan : penambahan substrat baru dilakukan secara terus menerus.

j. Macam-macam bir :

1. Lager bir : fermentasi yang melibatkan bottom yeasts dan tak berspora : S. carlsbergensis.

2. Ale : fermentasi bir yang melibatkan top yeasts dan berspora : S. cerevisieae mempunyai kandungan alkohol cukup tinggi.

3. Bir Pilsener (dari Chekoslovakia) : warna jernih, kering (dry) karena mengandung gula yang difermentasikan rendah, mempunyai aroma hop tajam.

4. Minuman malt : kandungan alkohol lebih tinggi dari pada bir

5. Bir non karbohidrat: bir yang dibuat dari larutan karbohidrat dimana semua dekstrin dihidrolisa oleh ensim menjadi maltosa dan glukosa.

Fermentasi anggur (wine)Semua fermentasi alkohol memerlukan substrat gula dan untuk produksi wine menggunakan sari buah anggur (Vitis vinifera). Buah tersebut merupakan medium yang baik :

a. Kandungan nutrien cukup tinggi

b. Mempunyai keasaman yang tinggi sehingga dapat menghambat pertumbuhan mikrobia yang tidak diinginkan.

c. Kandungan gula cukup tinggi

d. Mempunyai aroma yang sedap.

Fermentasi anggur dilakukan penambahan SO2 ke buah anggur dengan tujuan untuk :

a. Mencegah brwoning selama penghancuran buah

b. Menghambat aktivitas khamir lain

Macam-macam wine :

1. Wine putih : anggur yang dibuat dari buah anggur berwarna hijau dan juga warna merah yang telah dikupas kulitnya.

2. Wine menrah : anggur yang dibuat dari keseluruhan buah anggur berwarna merah.

Jenis khamirTerdapatnya

Candida pulcherima (Metschnikovia pulcherima)

Sccharomyces cerevisiae

Kloeckera africana; K. apiculata

S. carlsbergensis; S. rouxii

Torulopsis stelattaEkstrak (hancuran buah anggur dan wine

Wine klasik

Wine dan buah anggur

Wine dan buahnya

Wine

Wine putih

Wine merah

Gambar 2 : Diagram alir pembuatan wine

Cara pembuatan wine (Gambar 2)

1. Buah anggur yang dipetik dari kebun dihancurkan menjadi bentuk cairan yang disebut must.

2. Khamir yang berasal dari permukaan kulit anggur sebagai inokulum dan kadang-kadang diinokulasi dengan S. cerevisieae.

3. Proses fermentasi dilakukan :

a. Red wine :

Warna merah terbentuk selama proses fermentsi karena terjadi ekstraksi warna kulit buah anggur oleh alkohol yang terbentuk.

CO2 terbentuk selama fermentasi sehingga sisa buahan dan kulit terangkat keatas

Lama fermentasi 3 5 hari pada 24 27 0C

b. White wine :

Proses hampir sama dengan red wine tetapi tidak terjadi warna

Lama fermentasi 7 14 hari pada 10 21 0C

Kandungan alkohol 19 21 %.

c. Memerlukan karbonasi yang dilakukan dengan menginjeksikan CO2 setelah proses fermentasi selesai.

2. ASAM AMINO

Kebanyakan mikrobia mensintesa asam amino yang digunakan untuk biosintesa protein dari glukosa dan ammonium. Asam amino ini sebagai senyawa antara dalam metabolisme, tetapi pada akhir fase exponensial dibebaskan dalam medium walaupun jumlah sedikit.

Di Jepang banyak paten produksi asam amino tetapi hanya asam glutamat dan lisin yang diproduksi oleh industri dalam jumlah besar.

Produksi asam glutamat

Produksi asam glutamat di seluruh dunia lebih dari 100.000 ton per tahun. Monosodium glutamat digunakan untuk penyedap makanan sup.

Asam glutamat dihasilkan oleh mutan Corynebactericum glutamicum sebesar 60 gram/liter, untuk bakterinya sendiri sebesar 300 miligram/liter. Lama fermentasi 40 jam pada suhu 300 C, keasaman medium alkalis dan mengandung biotin (1 5 (gr/l), glukosa dapat diganti dengan molase. Produksi asam glutamat oleh Corynebactericum glutamicum, sebagai berikut :

Glukose

Fosfoenolpiruvat

CO2 Piruvat

CO2

Oxalo asetat Asetyl Co.A

Sitrat

Cis akonitat

Isositrat

CO2-Ketoglutarat

NH4+

Glutamat

3. VITAMIN

Mikrobia prototrof dapat mensintesa semua vitamin, koensim dan faktor tumbuh untuk pertumbuhan dan metaboisme

Sedikit vitamin yang dihasilkan dalam skala industri dapat dilihat tabel berikut :

Jenis vitaminJenis

MikrobiaMediumKondisi fermentasiEkstraksi Produkgr/l (%)

Karoten (prekusor vitamin A)

Riboflavin

L-sorbosa (dalam sintesa vitamin C)

5-ketoasam glukolat (dalam sintesa vitamin C)Blakeslea trispora

Myobacterium smignaxtis

Ashbya gassypii

Gluconobacter oxidans

Sub spesies

Suboxidans

Gluconobacter oxidans

Sub spesies

Suboxidans- Molase

- minyak

kedelai

- -ionon

- Thianin

- glukosa

- kolagen

- minyak

kedelai

- glisin

- D-sorbitol

- 30%

rendaman

jagung

- glukosa

- CaCO3- air

rendaman

jagung

72 jam

300C, aerob

6 hari

360C, aerob

45 jam

300C, aerob

33 jam

300C, aerob

Solven

Dipanaskan 1200C + reagen untuk pengendapan

Filtrasi dan pemekatan di bawah vaccium

Filtrasi dan pemekatan di bawah vaccium

1 gr/l

0,007 gr/l

4,25 gr/l

70 %

100 %

Biosintesa B12 dihasilkan oleh bermacam-macam bakteri dan Streptomyces. Produksi vitamin B12 menggunakan Propionibacterium.

Seperti dalam dan mikrobia lain seperti berikut ini :

SpesiesMediumAerasiProses

Suhu

(0C)Waktu (jam)Produk

(mg/l)

Bacillus megaterium

Propionibacterium

freudenreichii

Propiobacterium shermanii

Bacillus coagulans

Streptomyces oliveseae

Pseudomonans denitrifieansMalase, garam, mi-neral, karbon

Glukosa, cornsteep, hetain kobalt,

pH 7,5

Glukosa, cornsteep, kobalt, pH 7

Asam sitrat, tri etanolamin, kobalt, cornsteep

Glukosa, tepung

Kedelai, koblat, garam mineral.

Asam oksalat, betain, koblat, garam mineralAerobik

Anaerobik (3 hari) + aerobik (2 hari)

Anaerobik (3 hari) + aerobik (2 hari)

Aerobik

Aerobik

Aerobik

30

30

28

55

28

-

18

120

150

18

96

-0-45

20

23

6,0

5,7

10

4. ENSIM

Produk metabolit yang bersifat primer dan sekunder adalah ensim. Ensim dihasilkan oleh mikrobia dalam industri fermentasi berupa exoensim dan endoensim. Ensim dapat digunakan sebagai komponen pengempuk daging, komponen pembuatan detergen, untuk kebersihan, pembuatn sirup, dan sebagainya.

1. Komposisi media untuk produksi ensim

Kebanyakan ensim mikrobia bersifat hidrolase yaitu ensim indusibel, ensim diproduksi bila diinduksi. Misal ensim -glactosidase diproduksi dalam media yang mengandung laktosa.

Metoda untuk memperoleh ensim dalam jumlah besar perlu ditambahkan kedalam medium inducer dengan konsentrasi rendah (contoh 0,05 % selobiosa). Pengaruh bermacam-macam inducer terhadap penghasilan ensim sebagai berikut :

EnsimJenis jamur BenangInducerProdu (international unit)

Selulase

Dextranase

InvertaseTrichoderma viride

Penicellium funiculosum

Aureobasidium pullulansSelulose

Selobiose

Selobiose diplamitat

Dekstran

Isomaltosa

Isomaltosa dipalmiat

Sukrosa

Sukrosa monopalmiat22,5

0,2

4,8

1080

2

1098

1,3

108

2. Ensim mikrobia dan kegunaannya

a. Amilase

1. Strain Bacillus dan Aspergillus menghasilkan beberapa ensim yaitu

2. -amilase mengkatalisa hidrolisis ikatan -1,49 glukosidik, berfungsi memecah pati menjadi dextrin dan maltosa

3. Amyloglikosidase yang langsung menghasilkan glukosa dari pati.

4. maltase menghidrolisa maltosa menjadi glukosa.

Amilase yang dihasilkan oleh Aspergillus niger dan A. oryzae digunakan untuk hidrolisa pati menjadi gula

b. Protease

Protease dihasilkan oleh Bacillus subtilis dan Bacillus licheniformis atau A. niger, A. oryzae.

Protease alkalin toleransi pada pH basa dan aktif dalam adanya sodium perborate, sodium aripoyphosphate dan sodium alkylbenzen sulphonat. Prolease alkalin dihasilkan oleh Bacillus dan Streptomyces.

Latihan soal pokok bahasan VII

1. Sebutkan senyawa metabolit primer sebanyak 5 macam dan mikrobia penghasilnya

2. Bedakan antara pembuatan asam cuka metoda cepat dan lambat

3. Jelaskan perbedaan antara Redwizcl dan White Wine

4. Apakah kegunaan penambahan S02 pada ekstrak buah sebagai bahan dasar fermentasi anggur.

5. Mengapa dalam memproduksi enzim tertentu ditambah dengan inducer ?

Pokok Bahasan VIII

FERMENTASI METABOLIT SEKUNDER

Deskripsi singkat

Mikrobia mampu mensintesa senyawa metabolit sekunder pada fase pertumbuhan stationer. Senyawametabolit sekunder digunakan sebagai nutrien darurat untuk mempertahankan hidupnya. Metabolit sekunder itu tergolong dalam antibiotik biopestisida, mikotoksin dan pigmen, alkaloid serta ensim.

Antibiotik yang dihasilkan oleh fungi meliputi griscofulvin, penisilin, cephalosporin, dan asam fusidat dan lain sebagainya. Bakteri juga mampu menghasilkan cyclokeximide, amphoserin, pimaricin, streptomisin, tetrasiklin, khloramfenicol, movabiosin, erithromisin, polimisin dan nisin, Aktinomisetes juga hampir setiap tahunnya menghasilkan 50-100 antibiotik contoh Streptomycesgriseus menghasilkan 40 macam antibiotik yang berbeda.

Biopestisida merupakan senyawa yang dihasilkan oleh mikrobia berdaya insektisida sebagai contoh Bacillus thuringiensis bersifat patogen terhadap larva lepidoptera, Bacillus popilliae patogen terhadap larva lebah. Alkaloid merupakan senyawa yang diproduksi oleh mikrobia dan senyawa ini dapat berperanan sebagai herbisida contohnya Cloviceps purpurea dan C pospali untuk membunuh rumput Pospalum.

Tujuan Instruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan tentang fermentasi antibiotik, seperti penisilin dan biopestisida.

A. Penisilin

Pada abad 19 telah diketemukan mikrobia penghambat pertumbuhan mikrobia lain, karena menghasilkan senyawa toksin. Penemuan tersebut disebut pinisilin yang berperanan sebagai antibiotik.

Banyak antibiotik yang dapat digunakan dalam bidang pengobatan yaitu :

Senyawa antifungal dan antibacterial yang dihasilkan oleh mikrobia

Jenis mikrobia yang dihambatSenyawa sntibiotik dari

Fungi

Bakteria Griseofulvin

Penisilin

Cephalosporin

Asam fusidatCycloheximide

Amphosetrim

Pimarcin

Streptomisin

Tetrasiklin

Khloramfenicol

Novobiosin

Erythromisin

Polimysin

Nisin

Alexander Flemming secara kebetulan menentukan Penicellium notatum tumbuh pada kultur Staphylococcus yang menyebabkan terbentuk zone jernih disekitar Penicellium, karena kedua mikrobia tersebut saling bersifat antagonisme. Kemudian setelah senyawa diisolasi ternyata antibiotik penisilin.Florey tahun 1940 menemukan P. chrysogenium penghasil penisilin bersifat lebih efektif daya hambatnya dan tidak toksis terhadap jaringan manusia.

Industri pinisilin terus mengembangkannya dengan cara : meneliti strain baru dari alam, melakukan seleksi, meningkatkan sifat kultur melalui mutasi, optimalisasi media dan kondisi produksi.

Skema pengembangan strain sebagai berikut :

Isolasi dari melon

Isolat P. chrysogenum Mutasi

Mutan

Produksi

Penisilin

Pengujian dengan Staphylococcus aureus ( 1 unit/ml )

Isolasi penisilin

Purifikasi

Kristalisasi

(1 unit = 0,5988 (gr / sodium benzyl penisilin

Produksi Penisilin melalui dua cara

1. kultur tenggelam

2. kultur permukaan

Dalam produksi penisilin perlu Penicellium ditumbuhkan untuk membentuk spora, spora tersebut sebagai inokulum.

Faktor-faktor yang perlu diperhatikan selama fermentasi penisilin adalah :

1. Bahan dasar terdiri dari :

a. Sumber karbon (6 %), laktosa, pati jagung dan dextrin jagung.

b. Sumber nitrogen : sodium nitrat, ammonium sulfat, ammonium asetat, ammonium laktat, corn steep liquor.

c. Sumber mineral : magnesium sulfat (MgSO4 7H2O)

d. Prekursor : asam phenylacetat.

2. Kondisi fermentasi

Suhu 240 C, pH : 5-7,5, aerasi 400 cu/menit, antifolam tributyl citrat, 3 % octadecanol.

B. Biopestisida

Kebanyakan antibiotik dengan konsentrasi antara (55-200 ppm) berdaya insektisidal. Kemudian novobioci dan cycloheximide (actidione) mempunyai spektrum lebih luas terhadap insekta lain, tetapi apakah bersifat menghancurkan atau kontak saja. Di Jepang telah banyak dilakukan seleksi dan akhirnya menemukan metabolit sekunder baru mempunyai daya insektisida. Insektisida tersebut dihasilkan oleh Streptomyces

Insektisida yang dihasilkan mikrobia

Jenis mikrobiaProdukToksisitas terhadap

manusia

Streptomyces factum

Streptomyces mabaraence

Metarrhizium anisapliae

Aspergillus ochraccus

Aspergillus versicolorPactomycin

Piericidins A dan B

Dextrixin A dan B

Aspachchracin

Versimide Tinggi

Tinggi

Tinggi

Rendah

-

Dari fungi tingkat tinggi di jepang digunakan untuk pengendalian lalat, yaitu asam tricolomat yang dihasilkan oleh Tricholoma muscarium dan asam ibotenat dari Amania muscariaBakteri yang berperanan sebagai pengendali hama adalah :

1. Bacillus thuringiensis : sporanya bersifat patogen terhadap larva Lipidoptera

2. Bacillus popilliae : sporanya bersifat patogen terhadap lebah (Popillia japanica).

Nematoda berperanan sebagai vektor serangga patogen, kadang digunakan untuk pengendalian hama , contohnya simbiose antara Achromobacter nematophilus dan Neoplectana carpocapsaePestisica dari fungi

Fungi menginfeksi integumen hospes. Spesien fungi yang paling baik yaitu Beauveria bassiana mematikan penyakit pada ulat sutera (Bombyx mori). Jamur Metarrhizium anisolphae.

Latihan soal Pokok Bahasan VIII

1. Jelaskan cara isolasi mikrobia penghasil antibiotik ?

2. Apakah perbedaan antara bakterisida dan bakteriosfatik ?

3. Jelaskan mengapa dalam produksi penisilin perlu ditambah ekstrak / rendaman

jagung ?

4. Apakah fungsi metabolit sekunder beri contoh 5 (lima) macam metabolit

sekunder ?

5. Apakah yang dimaksud dengan

a. insektisida

b. metabolit sekunder

c. prekursor

Pokok Bahasan IX

BIOKONVERSI STEROID

C. Deskripsi singkat

Sterol dan steroid telah lama menjadi perhatian oleh ahli biokimia. Pada tahun 1920 ahli estrogenik dan androgenik untuk memenuhi kebutuhan steroid diperoleh dengan ekstraksi bahan alami misalnya korteks adrenal hewan. Senyawa steroid tersebut berupa cortico steroid.

Kemudian coktison berhasil disintesa secara kimiawi yang berguna untuk obat rematoid arthritis dan rematik akut. Selanjutnya pada tahun 1952 Rhizopus nigricans berperanan dalam mengubah progresteron menjadi - hidroksiproges rion yang bersifat baik dan diproduksi secara komersil.

Pada tahun 1970 reaksi 11 origenan oleh fungi 16x hidroksilasi oleh Streptomyces dehidrogenasi oleh Arthrobacter Samplex mycobacteria, nocardia dan kebanyakan fungi dilakukan di dalam industri.

Namun demikian banyak kendala yang timbul dalam produksi steroid melalui proses fermentasi, misalnya biaya operasional lebih mahal dibandingkan melalui reaksi kimiawi. Sehingga dalam prakteknya di pabrik, biotransformasi/biokonversi steroid digunakan untuk menggantikan sebagian reaksi secara kimiawi.

Struktur steroid kebanyakan mempunyai gugus methil pada atom karbon nomer 13 dan 10 (C-10 dan C-19). Steroid dapat dianalisa secara paper chromatography (PC) , khromatography lapis tipis (TLC) dan vapor-phase chromatography (VPC). Ekstraksi produk steroid menggunakan methylene chloride dan bermacam-macam solven non polar yaitu ethyl ecetat, amyl acetat, ethelene chlorida, chloroform hasil ekstraksi steroid lalu dianalisa menggunakan cara hromatography.

Penemuan penting dibidang mikrobiologi industri adalah mikrobia yang mampu melakukan aktivitas biokimia. Contoh spora Penicellium roqueforii mampu merubah asam kapilat (asam oktanoat ) menjadi 2 heptanone.

1. Definisi dan peranan steroid

Steroid adalah senyawa mempunyai kerangka perhydro 1,2-cyclo-pentano-phenanthene. Knight memperoleh 11--hydroxyl derivat progesteron menggunakan Aspergillus chraceus. :

Pembntukan 11--hydroxyl dari progesteron steroid yang dibentuk oleh mikrobia yaitu ergosterol, diosgenin pada tumbuhan, kholesterol terdapat pada hewan, kortisosteroid, hormon sex. Steroid penting sebagai agensia therapeutik, dihasilkan selama regulasi metabolisme

Steroid corteson berguna untuk penyakit rheumatoid arthritis dan rheumatic akut. Progestin dan estrogen untuk agensia mengurangi kesuburan (antifertility). Steroid juga berperanan sebagai agensia therapeutic bagi manusia dan hewan misalnya estrogen, progestin dan androgen

2. Struktur steroid

Kebanyakan steroid mempunyai gugus methyl pada rantai karbon nomer 13 dan 10 (C-18 dan C 19). Bentuk dasar steroid (trans, anti, trans, anti , trans) tergantung pada ikatan cincin karbon nomor 4 dari rantaian karbon dalam Chair Shape. Contoh bentuk dasar steroid adalah sebagai berikut

Pada garis tebal yang di

beri nomor 18 dan 19 dapat

berikatan dengan gugus me-

tyl 17 B konfigurasi

Adapun nama beberapa steroid baik nama perdagangan dan nama kimia dapat ditunjukkan dalam tabel dibawah ini

Nama perdaganganNama kimia

Androstenedione

Testosterone

Progesteron

Predmisone A-1 E

Predmisolone Androst-yene-3,17 dione

17B-Hydroryandrost-4-en-3 ane

Prcgn-4-enc-3,2 adio nc

17 X-21-dihydroxy-prequa-1,4-diene-3, 11,20 trione

11 B,

Ekstraksi steroid dari miselium jamur benang atau semua steroid menggunakan aseton. Sesudah steroid diekstraksi, akan mendapatkan hasil berwarna kecoklatan, lalu didecolorasi dengan karbon dan kristalisasi dari solven aseton metanol atau methelene chloride. Banyak solven yang dapat digunakan untuk ekstraksi steroid yaitu ethyl asetat, amyl asetat, ethy-lene chlorida, chloroform.

3. Metoda analisis steroid

Steroid hasil fermentasi lebih cocok dianalisis secara khromatografi kertas (Paper chromatography), sedang THIN LAYAR chromatography) sering digunakan untuk penelitian, tetapi untuk kebanyakan penelitian yang spesifik analisis steroid memakai cara Vapor. Phase chromatography (VPC) karena sangat sensitiv untuk identifikasi steroid menggunakan resonansi nuclear magnetic, dan spektrofotometri masa.

Setelah steroid dianalisis secara khromatografi maka noda dideteksi menggunakan sinar ultraviolet dengan panjang gelombang 243 nm dan 268 nm

4.Tipe biokonversi steroid

Biokonversi steroid yang digunakan dalam industri ada dua macam :

a. hidroksilasi ada 4 macam :

11--hydroksilasi, 11--hydroksilasi, 16--hydroksilasi, 21-hydroksilasi

b. Dehidrogenasi

11--hydroksilasi

11--hydroksi progesteron diperoleh dari progesteron yang dihasilkan oleh Aspergillus ochroceus, 11--hydroksi progesteron merupakan hasil antara pembuatan cortison.

11--hydroksilasi

Steroid hidrokartison (cortisol) langsung oleh Curvularia lunata atau ensim hewan mammalia

16--hydroksilasi

Hidroksilasi ini dilakukan oleh Streptomyces. Reaksi ini menjadi penting karena mampu membentuk 16 hidroksi 9-fluoroprednison yang sangat cocok untuk obat anti inflammantory.

21-hydroksilasi

Reaksi ini sangat mudah terutama dilakukan oleh Aspergillus niger dan Opphiobolus herpotricus untuk transformasi progesteron menjadi deoxycortison

Dehidrogenasi

Arthrobacter simplex dapat melakukan sintesa prednisolon dari cortison.

5. Metoda Biokonversi steroid

Spora dari fungi atau aktinomesetes sangat esensial untuk biokonversi. Spora diproduksi pada permukaan media atau sekam yang direndam air.

Aktivitas air dan kelembaban relatif sangat menentukan sporulasi :

Pengaruh aktivitas air (aw) pada produksi spora fungi (produksi sebesar 1011 konidia/erlenmeyer

Ml air/ erlenmeyerAspergillus ochroceus NRRL 405A. niger

ATCC9142Mucor gricocyanus ATCC1207 APenicellium chrysogemus WIS 53-414

40

60

80

100

120

140

160