MAKALAH BIOKIKMIA Fermentasi Asam Glukonat

OLEH

Yerry Firnanda Arbhy Indera Ikhwansyah Dewi Indah Pratiwi Raja Heru Nur Alam Ichsan Kelas A

JURUSAN SARJANA TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAU PEKANBARU 2011

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah mencurahkan segala rahmat dan hidayah-Nya serta kesehatan kepada penulis sehingga mampu menyelesaikan tugas makalah Biokimia tentang Fermentasi Asam Glukonat ini tepat pada waktunya. Penulis Mengucapkan terima kasih kepada Dosen Pembimbing Mata Kuliah Biokimia serta semua pihak yang telah memberikan saran dan arahan kepada penulis dalam penyusunan makalah ini. Makalah ini sangat jauh dari kesempurnaan,mengingat refrensi yang didapat tidak terlalu banyak. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang bersifat membangun demi kesempurnaan makalah ini dimasa mendatamg.

Pekanbaru, Mei 2011

Penulis

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR .................................................................................... DAFTAR ISI ................................................................................................... BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... A. Latar Belakang ................................................................................. B.Tujuan ............................................................................................... BAB II PEMBAHASAN ................................................................................ II.1 Pengenalan Mikroorganisme .......................................................... II.2 Proses Fermentasi Asam Glukonat ................................................ II.2.1 Fermentor Yang Digunakan ............................................ II.2.2 Proses Inokulasi............................................................... II.2.3 Proses Fermentasi ............................................................ BAB III KESIMPULAN ................................................................................ DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................

i ii 1 1 2 3 3 4 4 6 6 9 10

BAB I PENDAHULUAN

1. Latar belakang Penggunaan mikroba dalam berbagai bidang dikaitkan dengan istilah bioteknologi. Bioteknologi banyak membantu manusia dalam menjalankan kehidupan, terutama untuk memenuhi kebutuhan hidup. Sebenarnya bioteknologi sudah dipraktekkan orang ribuan tahun lalu dengan cara-cara yang masih sangat sederhana. Namun sejalan dengan perkembangan zaman, bioteknologi mengalami kemajuan yang pesat. Bioteknologi dikembangkan untuk meningkatkan nilai tambah bahan mentah dengan memanfaatkan kemampuan mikroorganisme. Selain itu penggunaan mikroba pada pertanian, industri, pangan, pengobatan dan lain-lain akan menghasilkan produk yang leih ekonomis, sedikit dalam pemakaian energi dan lebih aman bila dibandingkan dengan metode tradisional yang telah ada. Sebagian besar proses bioteknologi menghasilkan residu yang dapat terurai secara biologis dan tidak beracun. Fermentasi adalah salah satu cara pemanfaatan mikroorganisme yang dapat dilakukan. Fermentasi berasal dari bahasa latin ferfere yang artinya mendidihkan. Definisi fermentasi ini diperluas menjadi 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. Sebagai contohnya adalah fermentasi asam glukonat. Asam glukonat terutama bentuk garamnya seperti sodium glokonat memiliki banyak kegunaan dalam bidang kimia, farmasi (misal defisiensi besi dan kalsium), makanan, minuman, tekstile dan industri lainnya. Asam glukonat juga dipakai untuk melarutkan fosfat dan aditif pada semen yang digunakan dalam industri konstruksi agar tahan terhadap kondisi cuaca yang ekstrim. Mikroba membutuhkan energi yang berasal dari karbohidrat, protein, lemak, mineral dan zat-zat gizi lainnya yang terdapat dalam substrat. Pada substrat tersebut, mikroba harus mampu tumbuh dan menyesuaikan diri terhadap kondisi lingkungannya. Mikroba Aerobasidium pullulans membutuhkan glukosa sebagai substrat.

2. Tujuan Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk memenuhi tugas yang diberikan oleh dosen mata kuliah Biokimia tentang proses fermentasi Asam Glukonat. Disamping itu, makalah ini juga dibuat agar mahasiswa labih mengetahui tentang proses fermentasi khususnya proses fermentasi untuk pembuatan asam glukonat dengan menggunakan substrat glukosa dan bantuan mikroorganisme Aerobasidium pullulans.

BAB II PEMBAHASAN

II.1 Pengenalan Mikroorganisme Mikroorganisme yang dapat digunakan dalam fermentasi asam glukonat ini antara lain Aspergillus niger , kapang Penicillium, Gluconobacter suboxidans dan khamir Aerobasidium pullulans. Pada mulanya proses fermentasi asam glukonat menggunakan kapang Penicillium. Kemudian digunakan strain Aspergillus niger yang telah diperbaiki dengan siklus ulang miselia atau menggunakan Gluconobacter suboxidans dalam fermentasi diskontinyu. Pembentukan asam glukonat juga dapat menggunakan khamir Aerobasidium pullulans dengan berbagai sumber karbon. Aspergillus niger sulit ditangani karena sering menyebabkan penyumbatan selama fermentasi dan tidak stabil untuk operasi kontinyu. Gluconobacter menghasilkan cukup banyak asam keto selama produksi asam glukonat, sehingga dapat menyulitkan dalam isolasi asam glukonat. Peningkatan kadar glukosa yang lebih tinggi dari 0.56 M juga menurunkan konversi glukosa pada Gluconobacter oxydans. Fermentor untuk fermentasi ini bekerja berdasarkan prinsip kemostat konvensional yang tidak terdapat penahanan biomass. Hal ini menyebabkan pertumbuhan dan produksi terjadi secara simultan. Alternatif baru untuk produksi secara kontinyu adalah menggunakan sel yang tidak tumbuh atau penahanan biomass menggunakan Aerobasidium pullulans. Aerobasidium pullulans merupakan suatu tumbuhan yang pathogen dan dapat menyebabkan stigmatomycosis pada kapas. Mikroba ini dapat tumbuh pada agar kentang dextrose. Mikroba yang terdapat pada kentang ini terlihat seperti koloni ragi merah muda yang ditutupi dengan massa spora yang sedikit. Koloni yang lebih dewasa berubah warna menjadi kehitaman. Hal ini berkaitan dengan produksi chlamydospora. Aerobasidium pullulans merupakan spesies yang kaseinolitik.

Klasifikasi Aerobasidium pullulans :

Kingdom : Fungi Phylum Class Orde Family Genus Species : Ascomycota : Dothideomycetes : Dothideales : Dothioraceae : Aerobasidium : A.Pullulans

Subclass : Dothideomycetidae

Nama Binomial : Aerobasidiu pullulans Aerobasidium pullulans menghasilkan a-glukan. Hal ini dikarenakan jamur ini dapat mensintesa polisakarida berikatan -(1.4)--(1,6)-glukan. Polimer polisakarida hasil sekresi Aerobasidium pullulans ini dikenal sebagai pullulan. A-glukan adalah biopolimer D-glukosa dari hasil metabolit mikroorganisme yang berupa pati dan glikogen. Fungsi utama dari -glukan adalah sebagai pembentuk lapisan tipis berserat seperti selulosa. -glukan memiliki manfaat penting dalam bidang pengemasan, yaitu sebagai edible film pada produk-produk segar hasil pertanian maupun produk produk olahanhasilpertanian.

II.2 Proses Fermentasi Asam Glukonat II.2.1 Fermentor Yang Digunakan Fermentor yang digunakan pada pembuatan asam glukonat ini adalah kultur berkesinambungan (continuous culture). Pada kultur kontinyu, penambahan substrat terjadi secara terus menerus dengan kecepatan alir tertentu sehingga mencapai keadaan yang steady state atau pembentukan sel seimbang dengan terlepasnya sel keluar fermentor. Selain itu, pada kondisi chemostat, sel dapat dipertahankan pada physiological dan growth rate yang konstan. Growth rate dapat diatur dengan mengubah aliran masukan, sehingga mudah untuk optimasi produktivitas.Tujuan penting dari pengoperasian kultur kontinyu adalah untuk mengontrol pertumbuhan sel agar didapatkan produktivitas yang optimum.

Gambar di bawah menunjukkan proses yang terjadi pada fermentasi asam glukonat.

Fermentor pada proses ini bekerja pada kondisi aerobik, karena adanya suplai oksigen yang terjadi pada fermentor. Fermentor aerobik memerlukan alat untuk mengaduk dan memberikan aerasi yang cukup. Aerasi diperlukan untuk pengadaan oksigen yang cukup demi kelangsungan hidup mikrobia yang ditumbuhkan dalam medium cair. Sistem aerasi berperan penting dalam transfer oksigen dari bentuk gas ke bentuk cair. Oksigen tidak mudah larut dalam air, maka pada proses fermentasi ini diperlukan agitasi atau pengadukan. Agitasi diperlukan untuk mencampur semua isi bioreaktor sehingga diperoleh kondisi homogen. 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. Fermentor bekerja berdasar prinsip kemostat, dimana ketinggian cairan yang ada di dalam tangki dipertahankan dengan menggunakan flow rate yang dapat memberikan produktivitas yang diinginkan. Kondisi optimum pada proses fermentasi ini : - pH : 6,5 - suhu : 300C - kejenuhan udara : 120 180%

Parameter fermentasi seperti pH, oksigen, suhu dan komposisi medium mempengaruhi produksi asam glukonat.

II.2.2 Proses Inokulasi Inokulum dibuat dengan menumbuhkan mikroba yang diinginkan pada medium di shake flask. Medium ini bisa berbeda dari medium yang berada pada fermentor karena di shake flask tidak perlu alat untuk kontrol pH atau DO. Kontrol temperatur pada shaker biasanya cukup untuk kultur s/d 500 ml. Untuk memperoleh suplai oksigen yang cukup pada shaker flask, volume liquid pada flask harus sekitar 1/4 dari volume flask. Baffle pada flask diinginkan untuk memperoleh oksigen yang lebih pada shaker cultures. Inokulum (10%) dibuat dengan memindahkan sel dari agar plate ke dalam erlenmeyer 500 ml. Di dalam erlenmeyer 500 ml tersebut, terdapat medium yang juga digunakan untuk kondisi kultur di fermentor. Medium ini terdiri atas:Glukosa NH4Cl KH2PO4 MgSO4. 7H2O MnSO4.4H2O FeSO4.7H2O CuSO4 x 5 H2O 4 m ZnSO4.7H2O CoSO4.7H2O : 30 g/l : 3 g/l : 1.4 g/l : 0.35 g/l : 5 mM : 1 mM : 1 mg/l : 0.01 g/l : 4 mg/l

M

Medium ini diinokulasi dengan Aerobasidium pullulans dan inkubasi 2 3 hari, yang kemudian disimpan pada suhu 40C.

II.2.3 Proses fermentasi Fermentasi berlangsung pada suhu 300C dan pH 6,5 yang diatur dengan menambahkan NaOH 45%. Medium fermentasi secara kontinyu dimasukkan dalam fermentor. Fermentor bekerja berdasar prinsip kemostat dengan pengaturan suhu, suplai oksigen dan pengeluaran gas.

Pada produksi asam glukonat secara kontinyu ini biomass ditahan oleh filter yang dihubungan dengan fermentor. Fermentor, medium dan larutan NaOH disterilkan secara eksternal dalam autoklaf besar. Selain dengan menggunakan filter, penahanan sel dapat dilakukan menggunakan teknik amobilisasi. Penahanan biomas dengan amobilisasi atau dengan filter dapat digunakan untuk mengoptimalkan proses fermentasi kontinyu pada waktu yang sangat pendek yang apabila dilakukan secara normal akan menyebabkan sel ikut keluar (wash out) dari fermentor. Jadi laju pertumbuhan spesifik produk dapat dikendalikan, pembentukan produk tidak terkait dengan laju pertumbuhan. Amobilisasi biomass dilakukan dalam fluidized bed reactor yang bekerja pada volume 0,9 liter. Untuk amobilisasi biomass, sekitar 350 g porous sinter glass beads ditambahkan dalam fluidized bed reactor.

Fermentasi glukonat secara kontinyu dengan A. pullulans pada kondisi optimum, yaitu pada pH 6,5 suhu 300C, dan kejenuhan udara 120 180%. Fermentasi menggunakan medium yang telah dioptimasi menghasilkan produk lebih dari 220g/l pada kondisi steady state. Dengan glukosa 450g/l dalam medium yang dimasukkan dan kejenuhan udara 155% dihasilkan 315 g/l asam glukonat dengan waktu tinggal 21 jam dan biomass 6,8 g/l yang terbentuk. Produksi asam glukonat secara kontinyu dengan waktu tinggal 25 jam mencapai steady state sekitar 170 jam setelah inokulasi. Konversi produk adalah 82,5% untuk waktu retensi 21 jam dan 92% untuk waktu retensi 25 jam.Produksi metabolit mikrobial baik primer ataupun sekunder

biasanya terjadi pada kondisi stress. Komposisi mdium memainkan peran penting untuk keberhasilan produksi metabolit. Parameter fermentasi seperti pH, oksigen, suhu dan komposisi mdium mempengaruhi produksi asam glukonat. Dalam kultur kemostat konvensional tidak terdapat penahanan biomass, pertumbuhan dan produksi terjadi secara simultan. Alternatif baru untuk produksi secara kontinyu adalah menggunakan sel yang tidak tumbuh atau penahanan biomass menggunakan A. pullulans Penahanan biomas dengan amobilisasi atau dengan filter dapat digunakan untuk mengoptimalkan proses fermentasi kontinyu pada waktu yang sangat pendek yang apabila dilakukan secara normal akan menyebabkan sel ikut keluar (wash out) dari fermentor. Jadi laju pertumbuhan spesifik produk dapat dikendalikan, pembentukan produk tidak terkait dengan laju pertumbuhan. Beberapa penelitian menunjukkan perkembangan fermentasi asam glukonat. Produksi asam glukonat secara kontinyu dengan sel yang tidak tumbuh dari A. niger dan Penicillium ataupunorganisme lain tanpa adanya penahanan biomass. Asam glukonat sebanyak 260 g/l dihasilkan secara kontinyu dari A. pullulans dengan kondiri waktu tinggal 15,3 jam, sekitar 305 315 g/l bila waktu tinggal 21 jam, 370 g/l pada 21 jam dan dalam percobaan fed-batch dapat dicapai 504 g/l dalam waktu tinggal 19 jam. Pada miselia A. niger teramobilkan dapat dihasilkan asam glukonat 120 140 g/l, hasil dapat lebih tinggi pada ferd-batch, namun produksi tidak dapat mecapai lebih dari 220 g/l. produk metabolit juga sering menjadi faktor penghambat umpan balik dlam fermentasi. Konsentrasi asam glukonat 250 g/l adalah konsentrasi batas bagi A. pullulan dan 300 g/l untuk A. niger. A. niger sulit ditangani karena sering menyebabkan penyumbatan selama fermentasi dan tidak stabil untuk operasi kontinyu. Gluconobacter menghasilkan cukup banyak asam keto selama produksi asam glukonat jadi menyulitkan dalam isolasi asam glujkonatnya. Peningkatan kadar glukosa yang lebih tinggi dari 0.56 M juga menurunkan konversi glukosa pada Gluconobacter oxydans. Saat tidak ada informasi lain yang diinginkan, matikan kontroller temperatur, pH dan DO dan tambahkan clorox ke fermentor dengan konsentrasi 10% volume. Teruskan aduk fermentor selama sejam sebelum di-shutdown. Biarkan semalaman.

BAB V KESIMPULAN

Mikroorganisme yang digunakan : Aerobasidium pullulans Kondisi mikroorganisme : Aerob Fermentor yang digunakan : Kultur kontinyu (continuous culture), karena dengan adanya pengaturan masukan pada fermentor kontinyu akan didapat produktivitas yang optimum. Selain itu, karena adanya teknik pengadukan pada fermentor, akan didapat campuran yang lebih merata. Kondisi fermentor : Steady state dan chemostat Kondisi optimum yang terjadi di dalam fermentor : - pH = 6,5 - suhu = 300 - kejenuhan udara = 120 180% Banyaknya produk yang dihasilkan : Dengan glukosa sebanyak 450g/l yang dimasukkan ke dalam medium, pada kondisi kejenuhan udara 155%, dihasilkan asam glukonat sebesar 315 g/l. Dengan waktu tinggal 21 jam, biomass yang terbentuk adalah 6,8 g/l.

DAFTAR PUSTAKA

Anastassiadis, S and Hans-Jrgen Rehm. 2006. Continuous gluconic acid production by Aureobasidium pullulans with and without biomass retention. Electronic Journal of Biotechnology. Vol.9 No.5, Issue of October 15

Dwijoseputro.1964.Dasar-Dasar Mikrobiologi.Malang:Djambatan

J.R and B.O. Stoyla. 1968. Fermentation of Glucoronic Acid by Lactobacillus brevis.Appl. Microbiol 16: 536 537

Waites, M.J., N.L. Morgan., J.S. Rockey and G. Higton. 2005. Industrial Microbiology. An Introduction. Blackwell Publishing Co. Oxford.