medium pada industri fermentasi. edit

MEDIA UNTUK INDUSTRI

FERMENTASIAnggota Kelompok :

Freshsya Zatalini (115061100111003)Wahdah Mudrikah (115061101111018)Lilis Triyowati Andriani

(115061101111009)

INTRODUCTION TO THE MEDIA OF FERMENTATION

• Semua mikroorganisme membutuhkan :– air – sumber energi , karbon, nitrogen – unsur mineral– vitamin – oksigen

Dalam medium pertumbuhan

SMALL SCALE

LARGE SCALE

Mudah untuk menggunakan media yang mengandung senyawa murni yang dapat memenuhi kebutuhan mikroba

Mungkin tidak cocok digunakan pada skala besar

Harus menggunakan sumber nutrisi yang murah untuk membuat media yang akan memenuhi kriteria sbb:

Kriteria media skala besar

• Akan menghasilkan hasil maksimum produk di biomassa per gram substrat yang digunakan .

• Akan menghasilkan konsentrasi maksimum produk atau biomassa .

• Akan memungkinkan tingkat maksimum pembentukan produk .

• Akan menjadi hasil minimal produk yang tidak diinginkan .

• Akan menjadi murah dan kualitas yang konsisten dan tersedia sepanjang tahun .

• Akan menimbulkan masalah minimal dalam aspek lain dari produksi dan agitasi, ekstraksi , pemurnian dan pengolahan limbah .

TYPICAL MEDIA

FORMULASI MEDIA

• Formulasi media merupakan tahap penting dalam desain– Percobaan laboratorium– Pengembangan skala pilot– Proses manufaktur

FORMULASI MEDIA

• Unsur pokok/konstituen media harus memenuhi :– Persyaratan unsur untuk biomassa sel dan produksi

metabolit– Harus cukup pasokan energi untuk biosintesis dan

pemeliharaan sel• Langkah pertama yang harus dipertimbangkan

persamaan reaksi pertumbuhan sel dan pembentukan produk

Carbon and energy source + nitrogen source+ O2 + other requirements cell biomass + products + CO2 + H2O + heat

Dinyatakan secara kuantitatif

KOMPOSISI SEL

• Pengetahuan komposisi dasar seharusnya mencakup kandungan C, H, O, N, S, P, Mg dan K, dibutuhkan dalam elemantal balance equation

• Komposisi dasar mikroorganisme dalam media

KEBUTUHAN BIOKIMIA SPESIFIK

• Beberapa mikroorganisme tidak dapat mesintesis nutrisi spesifik seperti asam amino, vitamin, dan nukleotida sehingga membutuhkan zat-zat biokimia spesifik.Contoh : Khamir memerlukan biotin

KEBUTUHAN ENERGI• Mikroba dapat mengkonversi zat kimia dasar menjadi

molkul kompleks perlu energi berasal dari oksidasi zat organik tereduksi yang terkendali

• Karbon digunakan untuk menghasilkan energi (biosintesis) dan untuk memenuhi keperluan karbon dalam sel

• Persamaan reaksi biosintesis sel :

Rasio massa sel per unit substrat (M/A) tergantung pada proporsi substrat untuk energi dan massa sel

Contoh : Harga Y untuk glukosa = 0.5 untuk memproduksi 30 g sel/L disediakan 30/0.5 g glukosa = 60 g glukosa /L

• Penyediaan sumber karbon yang cukup perlu sekali untuk pembentukan-produk proses fermantesi

• In critical study, analisa penentuan bagaimana konversi sumber karbon pada pengamatan sama dengan yield maksimum secara teoritis

• Hal ini sulit dilakukan karena keterbatasan pengetahuan ttg biosintesis

CONTOHBiosintesa penisilin G oleh Penicillum sp yang dilakukan Cooney (1979). Persamaan neraca :

Secara teoritis 1.1 g penisilin G diperoleh dari 1 g glukosa, tetapi dari pengamatan dianalisa bahwa 26% glukosa digunakan untuk pertumbuhan, 70% untuk oemeliharaan dan 6 % untuk pembentukan penisislin, dan konversi yield maksimum pembentukan penisilin adalah 0.053 g/g glukosa. Jadi, nilai ini lebih kecil dari nilai teoritisnya.

KOMPONEN PENYUSUN MEDIA

FERMENTASI

Air

Mineral

Sumber Karbon

Sumber Energi

Buffer

Nutrien Recycle

AIR

FUN

GSI 1. Sebagai

komponen terbesar penyusun media fermentasi (80%).2.Peralatan pendukung dan pembersihan (sterilisasi).

FAKT

OR-

FAKT

OR

YAN

G P

ERLU

D

IPER

TIM

BAN

GKA

N

- pH - bahan pelarut- kandungan mineral- aliran kontaminasiNB : Perlu perlakuan pendahuluan (deionisasi, pengaturan pH)

Kandungan mineral dalam air penting karena mempengaruhi produk fermentasi

SUMBER ENERGI

SUM

BER 1. Sinar

2. Oksidasi substrat

Kebanyakan mikroba fermentasi bersifat kemo-organotrof

CON

TOH - Karbohidrat

- Lemak- Protein - Metanol

SUMBER KARBONHAL YANG MEMPENGARUHI PEMLIHAN SUMBER

KARBON : Laju metabolisme sumber karbon mempengaruhi jenis

produk metabolit yang dihasilkan.

continue…Jenis produk yang akan dihasilkan.

Produksi etanol dari protein sel tunggal biaya produksi 60-77% dari sumber karbon perlu sumber karbon yang murah.

Kemurnian Sumber Karbon.Metode untuk persiapan media.Peraturan Pemerintah

CONTOH SUMBER KARBON YANG DAPAT DIGUNAKAN :

1. Karbohidrat2. Minyak dan Lemak3. Senyawa Hidrokarbon dan Turunannya

KARBOHIDRAT

A. Sukrosa Molases • Merupakan byproduct dari produk cane sugar

atau sugar beet.• Kandungan : 50% CHO (sucrose) dengan 2%

nitrogen, vitamins and minerals

Sukrosa Barley Malt• Digunakan untuk kultivasi jamur dan ragi.• Kandungan : 90% CHO, 5% nitrogen dan

protein, peptida dan asam amino.

B. Lactosa Whey Milk Powder• Merupakan cairan byproduct dari industri

susu.• Kandungan : laktosa dan protein susu• Jarang digunakan sulit untuk menyimpan

(mendinginkan) jadi beku kering.• Kebanyakan MO tidak akan memetabolisme

laktosa, tapi whey digunakan dalam produksi penecilluin, etanol, SCP, xanthan gum dll

MINYAK DAN LEMAKKE

LEBI

HAN

1. Harga lebih murah dibanding sumber karbohidrat.2. Energi yang dihasilkan lebih besar dibanding glukosa.3. Volume yang digunakan lebih sedikit daripada sumber karbohidrat.

CON

TOH - Zaitun

- Jagung- Biji kapas- Biji rami - Kedelai

HIDROKARBON DAN

TURUNANNYA

SUMBER NITROGEN

• Fungsi : mempercepat pertumbuhan sel dalam fermentasi.

• Kebutuhan : 10 – 15 % dari berat kering sel bakteri.• Diberikan dalam bentuk :

- senyawa organik seperti protein, urea dan asam amino.- senyawa anorganik seperti gas amonia, garam amonium

dan garam nitrat. • Sumber Organik : corn steep liquor, yeast extract, pepton,

soya bean meal

Definisi : Produk samping dari ekstraksi pati dari jagung.

Fungsi : untuk produksi antibiotik penisilin.

Komposisi : 4% Nitrogen, dan 9-20% asam laktat.

Corn Steep Liquor

FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PEMILIHAN SUMBER NITROGEN

• Produk yang dihasilkan tergantung tipe dan konsentrasi sumber nitrogen yang digunakan.

• Contoh : produksi antibiotik poliene dipilih bungkil kedele sebagai sumber nitrogen mengandung protein dengan fosfor yang rendah dan hidrolisanya lambat.

MINERAL

• Fungsi : Petumbuhan dan metabolisme.• Mineral utama : Mg, K, S, Ca dan Cl harus

ditambahkan secara khusus. • Mineral lain (minor) : Co, Cu, Fe, Mn, Mo dan Zn untuk

aktivitas mikroba.

KISARAN KADAR MINERAL DALAM MEDIA FERMENTASI

CHELATORS

• Fungsi : menghilangkan endapan ion logam pada media setelah disterilisasi dalam autoclave.

• Contoh : EDTA (ethylene diamine tetraacetic acid)

• Cara kerja : membentuk komplek dengan ion logam dalam medium.

FAKTOR PERTUMBUHAN

• Definisi : persenyawaan organik yang harus terdapat dalam sel mikroorganisme agar dapat tumbuh dan menjalankan fungsinya selama proses fermentasi, tetapi yang tidak dapat dibuat sendiri oleh sel itu.

• Perlakuan : ditambahkan faktor pertumbuhan pada sumber karbon dan nitrogen pada media formulasi.

• Contoh : asam amino, nukleotida, asam lemak dan sterol.

NUTRIENT RECYCLE

• Tujuan : untuk menghemat biaya proses. (komponen media, persiapan media, fasilitas penyimpanan).

• Biasanya untuk proses fementasi sistem continues. (86% recycled supernatant)

BUFFER

• Fungsi : untuk mempertahankan pH media

• Jenis : buffer yang umum ditambahkan kalsium karbonat, protein, peptida, asam amino, amonia, NaOH dan H2SO4

PENAMBAHAN PRECUSORS DAN PENGENDALI METABOLISME UNTUK MEDIA

• Membantu untuk mengatur pembuatan produk• Bukan untuk membantu pertumbuhan mikroba• Untuk memanipulasi progress of the fermentation• Penambahannya berupa :

PRECURSORS INHIBITORS INDUCERS

PRECURSORS

• Merupakan senyawa kimia yg ditambahkan ke medium fermentasi dan dapat berikatan dengan molekul produk.

• Contohnya yaitu penggunaan phenylacetic acid pd fermentasi penisilin oleh Penicillium chrysogenum, terikat pd rantai samping molekul penisilin, membentuk penisilin G

Some important examples of percusors

INHIBITORS

• Merupakan senyawa kimia yg bersifat mengalihkan reaksi metabolisme intermediet menuju produk target, sehingga bisa dihasilkan satu atau lebih produk spesifik.

• Contohnya : penggunaan sodium bisulfit dlm produksi gliserol dengan modifikasi fermentasi etanol oleh Saccharomyces cerevisieae dg menghentika produksi asetaldehid

INHIBITOR

• Efektif dalam meningkatkan yield dari produk yang diinginkan dan mengurangi yield yang tak diinginkan pada produk

• Contohnya : penggunaan inhibitor klorinasi bromida dalam produksi tetracycline oleh Streptomyces aureofaciens , untuk meminimalkan/meekan produksi klortetrasiklis selama fermentasi tetracycline

INHIBITOR

• Digunakan untuk mempengaruhi struktur dinding sel sehingga meningkatkan permeabilitasnya untuk melepaskan metabolit

• Contohnya : penggunaan penisilin dan surfaktan dalam produksi asam glutamate oleh Micrococcus glutamicus

Inhibitor spesifik dan umum digunakan pada fermentasi

INDUCERS

• Merupakan senyawa yg bersifat menginduksi dalam metabolisme mikroba untuk menghasilkan enzim yang spesifik.

• Inducer dapat berupa analog substrat yang tidak diserang oleh enzim.

• Kondisi pertumbuhan optimum dapat dicapai dengan menambahkan inducer setelah host culture telah tumbuh dalam fermentor.

SOME EXAMPLE OF INDUSTRIALLYIMPORTANT ENZYME INDUCERS

OXYGEN REQUIREMENTS

Kondisi media dapat mempengaruhi ketersediaan oksigen yang terkandung didalamnya, beberapa keadaan yang mempengaruhi ketersediaan oksigen :• FAST METABOLISM• RHEOLOGY• ANTIFOAM

FAST METABOLISM

• Faktor nutrisi mempengaruhi kebutuhan oksigen suatu kultur

• Tergantung pd sumber karbon yg digunakan sumber karbon yang fast metabolism terdapat dalam konsentrasi tinggi (ex: glukosa) dapat mengurangi oksigen yang tersedia.

• Bisa diatasi dengan :– Pengurangan initial concentration dari key substrat dalam

media dan menambahkan penambahan komposisi substrat sebagai umpan kontinyu atan semi-kontinyu selam fermentasi.

– Mengubah komposisi dari media dengan menggabungkan higher carbohydrates (ex: laktosa, starch, dll) dan protein.

RHEOLOGY

• Kekentalan suatu media dapat mempengaruhi oksigen transfer.

• Misal pada pembentukan Polisakarida dapat mempengaruhi ketersediaan oksigen

ANTIFOAMS

• Sebagian proses mikroorganisme, foaming merupakan masalah

• Foam berasal dari adanya protein yang terdenaturasi pada interface medium dan udara

• Adanya buih dalam proses fermentasi menyebabkan kadar sel berkurang dan terjadi autolisis perlu penambahan zat anti foaming dapat mengakibatkan penurunan kecepatan transfer oksigen.

Akibat adanya foam

• Jika tidak dikontrol foam dapat menyebabkan masalah fisik dan biologis.

FISIK•pengurangan volume kerja fermentor•massa lebih rendah dan tingkat perpindahan panas•proses data yang tidak valid karena gangguan pada elektroda sensing dan pemantauan yang salah

BIOLOGIS•pengendapan sel di bagian atas fermentor•Mengurangi filter udara, sehinnga media tidak steril yang menyebabkan kontaminan

• Antifoam surface-active agent yang mengurangi tegangan dengan mengikat foam, sehingga mengurangi pembentukan foam

• Antifoam yang ideal :– Menyebar dg mudah dan cepat sert reaktif– Tetap aktif pada konsentrasi rendah– Memiliki aksi lama dalam mencegah pembentukan busa baru.– Tidak dimetabolisme oleh mikroorganisme – Non - toksik terhadap mikroorganisme, manusia dan hewan– Tidak menimbulkan masalah dalam ekstraksi dan pemurnian

produk– Tidak menimbulkan bahaya penanganan – Murah– Tidak berpengaruh pada oksigen transfer– Harus disterilisasi panas

CONTOH SENYAWA ANTIFOAM

• Alkohol , dekanol stearil dan oktil• Ester• Asam lemak dan turunannya , terutama gliserida , yang

meliputi minyak biji kapas , minyak biji rami , minyak siy - kacang , minyak zaitun , minyak jarak , minyak bunga matahari , minyak rapeseed dan minyak ikan cod

• Silikon• Sulfonat• Miscellaneous , Alkaterge C , oxuzalinc , polyproylene

glikol

• Unfortunately, kebanyakan antifoam yang diperlukan untuk mengontrol fermentasi bisa mengurangi tingkat oksigen transfer sebanyak 50 %

• Maka penambahan antifoam harus dijaga seminimal mungkin

• Desain dan operasi parameter fermentor dapat mempengaruhi sifat dan kuantitas foam terbentuk

OPTIMASI

MEDIUM

PENGERTIANSuatu usaha dalam menentukan kondisi pertumbuhan yang mengasilkan biomasa dengan keadaan fisiologis terbaik yang merupakan bagian dalam pembentukan produk. Diharapkan dengan mengoptimasi medium akan memberi dampak yaitu hasil produktivitas yang maksimum dan sesuai dengan yang diharapkan.

Optimasi Medium

Menentukan variabel penting

Metode Klasik

Metode Plackett-Burman

Menentukan Level Optimum

Teknik Respon Surface

Teknik Hendrix

Teknik Simplex Optimization

Untuk membuat keseluruhan faktorial yang dicari akan diperiksa pada setiap kemungkinan kombinasi dari variabel yang berkaitan pada level yang tepat harus membutuhkan jumlah besar dari percobaan,

xn keterangan : x = jumlah level n = jumlah variabel

Misalnya : untuk 3 nutrien pada 2 konsentrasi percobaan : 23 = 8 untuk 6 nutrien pada 3 konsentrasi percobaan: 36=729

Optimasi media berdasarkan metode klasik : mengubah varibel yang mempengaruhi medium (nutrien, antifoam, pH, temperatur dan lainnya) Kekurangan : memakan waktu yang ekstrem dan mahal untuk jumlah

variabel yang banyak.

Menentukan Variabel/Faktor Penting1. Metode Klasik

Ketika penelitian itu meneliti lebih dari 5 variabel yang mempengaruhi medium desain Plackett-Burman

rangkaian design untuk percobaan hingga 100 yang menggunakan percobaan dasar pemikiran yang mengetahui keseimbangan incomplete blocks. Penentuan jumlah variabel :

Variabel = X-1 ket : X = jumlah percobaan (trial) kelipatan 4 yaitu 8, 12, 16, 20 dll

Beberapa faktor tidak dipilih sebagai variabel yang dapat mempengaruhi medium (dummy variable).

2. Metode Plackett-Burman

Langkah ini akan mengidentifikasi variabel penting dan variabel tersebut akan digolongkan berdasarkan kepentingannya untuk menentukan penyelidikan yang lebih detail untuk menentukan nilai optimum yang dibutuhkan

Langkah-langkah Analisa Data :

1. Menentukan respon selisih antara jumlah H (High) dan L (Low)

2. Estimasi mean square dari tiap variabel

3. Menghitung Kegagalan Percobaan

4. Mengindentifikasi faktor yang menunjukkan pengaruh yang besar terhadap medium

1. Menentukan respon selisih antara jumlah H (High) dan L (Low)

Misal : Respon efek variabel yang berpengaruh pada

medium antara rata-rata respon untuk 4 percobaan pada level H dan nilai rata-rata untuk 4 percobaan pada level L. Efeknya sebagai berikut :

untuk dummy variabel nilainya harus 0

2. Estimasi mean square dari tiap variabelMisal :

mean square variabel A =

3. Menghitung Kegagalan PercobaanKegagalan percobaan dihitung dengan nilai rata-rata mean square pada dummy variable yaitu E dan G.

error mean square =

4. Mengindentifikasi faktor yang menunjukkan pengaruh yang besar terhadap medium

F-test =

Contoh :

Menentukan Level Optimum

pada masing-masing variabel utama yang mempengaruhi medium desain Plackett-Burman : menggunakan teknik optimasi respon permukaan (response surface)Response surface = garis bidang/peta topografik,

nilai garis tinggi dan garis bidang konstan

Response = hasil dari eksperimen yang dilakukan pada hasil nilai yang khusus pada variabel yang diteliti

1. Teknik Respon surface

Hendrix mengaplikasi teknik response surface memprediksi kombinasi optimum dari 2 variabel.Nilai varibel untul awal percobaan dipilih secara acak/ ditentukan dari proses percobaan sebelumnya dengan jumlah percobaan sebanyak lebih dari 15-20 percobaan.Hasil : garis peta yang memperlihatkan garis tinggi

permukaan yang mengindikasikan luas di dalam kombinasi optimum dari variabel.

Strategi mencapai optimum di dalam peningkatan mode :1. Membuat ruang di dalam garis yang ditinjau2. Letakkan 5 percobaan secara acak di dalam ruang

tersebut3. Membuat ruang baru yang berpusat pada ititik

optimum dari 5 percobaan yang dilakukan dan buat ruang baru yang sama dengan sebelumnya tetapi lebih kecil, biasanya ukurannya ½ dari seebelumnya.

4. Letakkan 5 percobaan secara acak di dalam ruang baru

5. Langkah 3 dan 4 dilakukan terus- menerus hingga mencapai titik optimum

1. Teknik Hendrix

1. Teknik Simplex Optimizationvariabel = n, dengan jumlah trial sebanyak = n+1

Thank

You for Your

Attention