teknologi fermentasi

TEKNOLOGI TEKNOLOGI FERMENTASIFERMENTASI

KRITERIA MIKRO-ORGANISME INDUSTRIKRITERIA MIKRO-ORGANISME INDUSTRI

1. Kultur murni2. Stabil secara genetik3. Dapat memproduksi sel vegetatif, spora atau

unit reproduktif lainnya4. Mampu tumbuh dengan cepat5. Mampu hasilkan produk dalam waktu singkat6. Mempu lindungi diri dari kontaminasi7. Mampu disimpan untuk jangka waktu lama8. Mampu hasilkan produk yang diinginkan &

mudah dipanen9. Dapat menerima perlakuan perbaikan genetik

SUMBER MIKRO-ORGANISME SUMBER MIKRO-ORGANISME INDUSTRIINDUSTRI

1. Sumber Alami : tanah, air sungai, laut, tanaman, hewan, limbah, kotoran, dll. Melalui teknik ISOLASI,SELEKSI,PEMURNIAN, DAN PENGUJIAN

2. Koleksi kultur: lembaga tempat menyimpan dan memelihara mikro-organisme

NAMA KOLEKSI KULTUR DUNIANAMA KOLEKSI KULTUR DUNIA

Tempat

ATTC

CBS

CCM

CDDA

CIP

CMI

DSM

FAT

IAM

NCIB

America Type Culture Collection

Centraal Bureau VoorSchimmelculture

Czechoslovak collection of microorganism

Canadian Department of Agriculture

Collection of The Institute Pasteur

Commonwealth Mycological Institute

Deutsche Samlung Von Microorganism

Faculty of Agriculture Tokyo University

Institute of Applied Microbiology

National Collection of Industrial Bacterial

Rockville, USA

Baarn, Netherland

Canada, Otawa

Paris

Kew, UK

Gottigen, Jerman

Tokyo

Univ of Tokyo

Aberdeen, Scot

London, UK

ISOLASIISOLASIKegiatan pemisahan suatu kultur organisme

dari campuran biakan yang terdapat di alam

KULTIVASIPertumbuhan populasi microbial pada

lingkungan buatan (medium kultur) pada kondisi tertentu di laboratorium

TEKNIK ISOLASITEKNIK ISOLASI

1. Pemindahan dengan penanaman (planting method)

2. Kultur diperkaya dengan metode selektif

PEMELIHARAAN dan PELESTARIAN PEMELIHARAAN dan PELESTARIAN MICROORGANISMEMICROORGANISME

• Kultur hasil isolasi dan screening dipelihara dalam media dan metode tertentu agar tahan lama

Metode Keuntungan Kerugian

•Tabung reaksi, botol, cawan petri

•Metabolisme tereduksi

•Baik untuk pengujian taksonomi

•Pengurangan kecepatan tumbuh

•Viabilitas pendek lebih terhadap kontaminasi, pertumbuhan

•Organisme yang diinginkan dapat tumbuh

Metode Keuntungan Kerugian

• Penutupan minyak mineral

•Refrigerasi

•Deep freezing

•Pengeringan dengan pasir kering, silica gel, tanah

•Kertas saring

•Pengurangan interval sub kultur

•Baik untuk pengawetan kultur

•Keadaan tetap sama

•Sederhana

•Ekonomis

•Dapat memp metabolit beracun

•Lebih peka kontaminan

BAKTERIBAKTERI• Ukuran 0.5 - 5 μm, yang bulat diameter 0.75 - 1.0 μm• Bentuk: batang (basil), bulat (Coccus), spiral• Penataan: tunggal, berpasangan,rantai, filamen,

gerombol• Struktur: struktur utama diluar diding sel berupa flagel,

fili dan kapsul. Organel selnya terdiri dari : sitoplasma, bahan intisel, ribosom

• Berdasarkan beda komposisi & struktur dinding sel:- gram + = lipid lebih sedikit- gram - = lipid lebih banyak dinding lebih tipis

• Tipe nutrien: fototrof (gunakan cahaya), chemotrof (gunakan bahan kimia/organik

KAPANG: MOD, FUNGIKAPANG: MOD, FUNGI

• Contoh: ragi untuk tempe, oncom, kecap, tauco

• Morfologi: tubuh sendiri dari dua bagian, miselium, spora

• Fisiologi: hanya dapat hidup dengan adanya oksigen (obligat aerob)

• Pemanfaatan: antibiotik, enzim, hormon steroid

KHAMIRKHAMIR

• Uniseluler

• Reproduksi vegetatif dengan budding pembelahan atau sporulasi

• Karakteristik kultur atau koloninya pada media agar khas

• Banyak digunakan pada industri alcohol dan asam organic

GANGGANG/ALGAEGANGGANG/ALGAE

• Plankton: Phytoplankton, zooplankton

• Variasi tempat tumbuh luas (suhu dingin hingga panas)

• Ukuran dan bentuk bervariasi

• Reproduksi: seksual (bersatunya gamet dimana inti berdifusi lalu timbul spesies baru) dan aseksual (pembelahan)

DASAR KLASIFIKASI ALGAEDASAR KLASIFIKASI ALGAE

• Sifat alami dan komposisi kimia dari pigmen

• Kimia dari fotosintesis makanan dan produk asimilasi

• Morfologi, jumlah dan flagella

• Sifat fisikokimia dinding sel

• Karakteristik dan morfologi sel dan tubuh buah

• Metode reproduksi

BIOMASSA MIKROALGABIOMASSA MIKROALGA

1. Fotosintetik memungkinkan mikroalga memperoleh hasil tinggi

2. Paling efisien gunakan energi cahaya matahari (produktivitas: 60-80 ton bobot kering/ha/tahun

POTENSI MIKROALGAPOTENSI MIKROALGA

1. Suplemen protein untuk pakan ternak

2. Lemak: gliserol

3. Pigmen, enzim dan asam-asam amino

4. Bio-energi : metana, hydrogen, hidrokarbon

POTENSI INDONESIAPOTENSI INDONESIA

1. Air/laut tersedia

2. Area luas

3. Iklim penuh cahaya matahari

4. Biaya tenaga kerja relatif murah

MEDIA DALAM KULTIVASI MEDIA DALAM KULTIVASI BIOPROSESBIOPROSES

Media: tempat tumbuh mikro-organisme

Syarat:

- Sumber C

- Sumber N

- lain-lain

Persamaan :C + N + Lain-lain Cell + Produk+CO2H2O,panas

BAHAN DASAR MEDIABAHAN DASAR MEDIANutrien broth:

-beef extract 3 g

-pepton 5 g

-air 1000 g

Nutrien agar:

-beef extract 3 g

-pepton 5 g

-agar 15 g

-air 1000 g

KARAKTERISTIK BAHAN DASAR MEDIAKARAKTERISTIK BAHAN DASAR MEDIA

Bahan mentah Karakteristik/sumber

Beef extract

Pepton

Agar

Ekstrak khamir

Ekstrak cairan daging dikentalkan menjadi pasta

Produk hasil hidrolisis bahan berprotein, a.l daging, kasein dan gelatin, dapat dihidrolisa dengan cara asam maupun enzimatis

Suatu karbohidrat kompleks diperoleh dari ganggang laut

Ekstrak cair dari sel khamir, dalam bentuk tepung

SUMBER KARBONSUMBER KARBON

• Sumber energi utama• Bahan penyusun kerangka sel• Dalam alam, banyak sekali alternatifnya

Dasar pemilihan sumber C (karbon) dalam industri• Ketersediaan• Harga• Aspek legal

METODE PREPARASIMETODE PREPARASI

• Media yang dibeli dalalm bentuk komersil, misalnya nutrien agar, nutrien broth biasanya resepnya sudah tertera. Tinggal mengikuti resep tersebut

• Jika dalam media terdapat sumber nitrogen/protein, maka saat sterilisasi, pisahkan antara sumber karbon dengan nitrogen karena dapat menyebabkan reaksi browning (pencoklatan)

• Jika berupa pati, maka konsentrasinya maksimal 2% karena dapat menggumpal jika dipanaskan. Jika dapat gunakanlah soluble strach

SUMBER NITROGENSUMBER NITROGEN

• Sebagai bahan penyusun sel• Contoh: corn steep liquor, tepung kacang,

tepung kedelai, gelatin, darah, tepung ikan,dllFaktor yang mempengaruhi pemilihan sumber N:

- kemudahan untuk diasimilasi.contoh: ammonia atau ion ammonium mudah diasimilasi sehingga banyak digunakan- metabolisme yang terjadi- murah harganya dll

BAHAN LAINBAHAN LAIN

• Mineral

• Vitamin

• Pengatur asam basa

• Antibusa

• Precursor atau inhibitor

• Induser

• oksigen

KULTIVASI DALAM BIOPROSESKULTIVASI DALAM BIOPROSES

Penyiapan Mikroorganisme Penyiapan substrat/ formulasi media

SterilisasiInokulasi secara aseptik

Perakitan bioreaktor dan strerilisasi

Kultivasi:-Pengontrolan suhu-Pengontrolan pH-Pengontrolan aerasi-Pengontrolan agitasi-Pengontrolan busa

Sampling dan Pemanenan

Analisis hasil kultivasi

KONSENTRASI SUBSTRAT DAN KONSENTRASI SUBSTRAT DAN NUTRIENNUTRIEN

• Pertumbuhan optimum apabila nutrien dan kondisi sesuai

• Nutrien dasar yang dibutuhkan adalah sumber C, sumber N, energi dan faktor esensial pertumbuhan yaitu mineral dan vitamin

• Nutrien digunakan untuk sedia energi dan pembentukan konstituen seluler

• Ukuran hasil kultivasi disebut yield• Laju pertumbuhan mikroorganisme dipengaruhi

oleh konsentrasi komponen penyusun media pertumbuhan

KOMPOSISI TIPIKAL UNTUK M.OKOMPOSISI TIPIKAL UNTUK M.O

Elemen % bobot kering

Karbon

Nitrogen

Fosfor

Sulfur

Magnesium

50

7-12

1-3

0.5-1.0

0.5(Wang dkk., 1978)

Contoh:

Bila diinginkan mensintesa 30 g/L massa khamir, maka kira-kira formulasi media adalah sbb.

Komponen medium Konsentrasi (g/L)

Sumber energi karbon

-Methanol

-Etanol

-Glukosa

-Heksadekan

(NH4)2SO4

KH2PO4

MgSO4

Trace element

60

40

60

30

12

1.3

1.5

10-4

URUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASIURUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASI

1. Penyiapan mikroorganisme:

- kondisi (kesegaran jika dari media agar)

- Perlu penumbuhan jika dari keadaan

pengawetan khusus misalnya dari ampul

liofilisasi, pengawetan dengan pengering, dll

- kadang mikro-organisme memerlukan

adaptasi dahulu dalam media propagasi (ada

yang tidak bisa langsung dari agar miring)

URUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASIURUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASI

2. Penyiapan substrat- Kenali komposisi substrat yang sesuai dengan tujuan kultivasi- perlu tahu cara penyiapannya contoh jika terdapat sumber protein dan

karbohidrat dalam komposisi media yang akan digunakan, maka pisahkan pada saat sterilisasi

STERILISASISTERILISASI

• Media

• Bioreaktor dan asesorisnya

• Bahan yang ditambahkan pada mekanisme pengontrolan (asam, basa, antibusa

STERILISASISTERILISASI

• Metode/cara yang dapat diterapkan untuk membunuh atau menyingkirkan mikroorganisme kontaminan

• Metode bisa dengan:

- pemanasan - pengendapan

- filtrasi - sentrifugasi

- flotasi - radiasi

- pertukaran ion - penggunaan bahan kimia

STERILISASISTERILISASI

• Yang umum digunakan adalah pemanasan, radiasi, penggunaan bahan kimia dan filtrasi

• Metode sterilisasi dengan pemanasan:- panas basah (uap)- panas kering (oven)

• Cara yang dipilih tergantung pada kondisi bahan/media serta peralatan yang akan disterilisasi

URUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASIURUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASI

3. Perakitan bioreaktor dan sterilisasi4. Inokulasi secara aseptik

- perhatikan port/lubang untuk inokulasi pada bioreaktor

- selalu gunakan bantuan desinfektan untuk mengaseptiskan lingkungan - setelah kering desinfektan baru dekatkan api pada lubang

URUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASIURUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASI

4. Inokulasi secara aseptik - perlahan bukalah lubang inokulasi - tuang inokulum mikroorganisme secara hati-hati- usap lubang dengan desinfektan (hati- hati dengan Bunsen) - tutupkan penutup lubang setelah lebih dahulu difiksasi di atas bunsen

URUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASIURUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASI

5. Kultivasi

Proses fermentasi berlangsung saat

kultivasi

Apabila kultivasi berjalan dengan baik, maka

substrat dikonsumsi oleh sel, sel tumbuh

dan produk dibentuk

URUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASIURUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASI

5. Kultivasi

Peubah optimasi pertumbuhan mikroorganisme dan pembentukan produk adalah:

- Konsentrasi substrat dan nutrien

- Suhu

- pH

- Aerasi dan agitasi

SUHUSUHU

• Pertumbuhan merupakan hasil dari serangkaian reaksi kimia yang sangat dipengaruhi oleh suhu

• Suhu juga berpengaruh terhadap efisiensi konversi substrat menjadi massa sel

• Perubahan suhu pertumbuhan yang besar (ekstrim) akan mengakibatkan inaktifnya struktur fungsional sel

• Titik optimum suhu akan memberikan iklim kondusif untuk aktifitas metabolisme sel dan pertumbuhan normal

TABEL SELANG SUHU PERTUMBUHAN TABEL SELANG SUHU PERTUMBUHAN ((OOC) TIGA TIPE MIKROORGANISMEC) TIGA TIPE MIKROORGANISME

Tipe Min Opt Maks

Psikofilik

Mesofilik

termofilik

-5 – 0

10-20

25-45

5-15

30-40

45-60

15-20

40-45

60-80

HUBUNGAN SUHU DENGAN HUBUNGAN SUHU DENGAN PERTUMBUHAN SPESIFIKPERTUMBUHAN SPESIFIK

Psikrofilik mesofilik termofilik

0 10 20 30 40 50 60

pHpH

• pH mempengaruhi fungsi membran/permeabilitas sel, sintesa enzim dan komponen sel lainnya

• Contoh: pH dapat menggumpalkan protein pada titik isoelektrik

• pH mempengaruhi kelarutan konstituen

• pH menunjukkan aktivitas ion H+ dalam suatu larutan

pHpH

• Dalamm kultivasi bioproses, pH cenderung alami perubahan oleh berbagai sebab. Misal, penggunaan ammonia, pH cenderung turun; penggunaan nitrat dan komponen amino organic, pH cenderung naik. pH juga dipengaruhi oleh terbentuknya asam-asam organic selama fermentasi

• Upaya mengontrol pH

Mikroba Min Opt Maks

Bakteri

Khamir

Kapang

3-5

2-3

1-2

6.5-7.5

4.5-5.5

4.5-5.5

8-10

7-8

7-8

URUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASIURUTAN PEKERJAAN DALAM KULTIVASI

6. Sampling dan pemanenan

7. Analisis hasil

BIOREAKTOR UNTUK KULTIVASI PADATBIOREAKTOR UNTUK KULTIVASI PADAT

Sejarah

Periode sebelum pasteur

- Roti

- Pengawetan ikan dan daging

- Asam cuka

- Pembuatan keju

- Pembuatan koji kecap

BIOREAKTOR UNTUK KULTIVASI PADATBIOREAKTOR UNTUK KULTIVASI PADAT

Periode sesudah Pasteur

- 1860-1900: trickling filter untuk penanganan limbah

- 1900-1920: pembuatan enzim dengan kapang

- 1940-1950: antibiotik

- 1950-1960: spora kapang untuk proses transformasi steroid

METODE / BIOREAKTOR YANG METODE / BIOREAKTOR YANG DIGUNAKANDIGUNAKAN

• Drum:- ukuran 5 galon dapat digunakan 1-1.2 kg substrat lembab, diinokulasi dengan kapang- udara dilewatkan ke dalam drum secara perlahan- drum dapat diputar senagai sarana agitasi

METODE / BIOREAKTOR YANG METODE / BIOREAKTOR YANG DIGUNAKANDIGUNAKAN

• Metode Pot:- tempat lebih kecil dari drum- aerasi dapat lebih optimal

• Metode Tray- tidak mengalami agitasi- dapat digunakan baki dari aluminium- banyak digunakan dalam proses produksi enzim

FAKTOR YANG HARUS DIPERHATIKAN DALAM FAKTOR YANG HARUS DIPERHATIKAN DALAM MERANCANG BIOREAKTOR SUBSTRAT PADATMERANCANG BIOREAKTOR SUBSTRAT PADAT

• Teknik inokulasi• Teknik sampling• Sistem transfer• Sterilisasi peralatan• Sumber udara• Jenis medium• Sistem pemantauan, pengukuran dan

pengontrolan parameter kultivasi

KEUNTUNGAN KULTIVASI KEUNTUNGAN KULTIVASI SUBSTRAT PADATSUBSTRAT PADAT

• Sederhana

• Proses tidak mahal

• Peralatan minimal

• Dapat dioprasikan pada skala pilot dan industri

ASPEK FISIOLOGIS PERTUMBUHAN ASPEK FISIOLOGIS PERTUMBUHAN MIKROBAMIKROBA

1. Jenis substrat: serealia, hewan, tanaman serta bahan lain yang mengandung karbohidrat dan protein tinggi

2. Memungkinkan sirkulasi udara yang cukup3. Mungkin selain air perlu ditambah komponen

nutrisi seperti mineral, dll4. Karena substrat relatif kering, maka kontaminasi

dari golongan bakteri biasanya jarang5. Pengontrolan suhu dapat juga dilakukan dengan

mengkondisikan pada ruangan/chamber yang dapat diatur keaseptikannya dan suhunya