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.

1

A. Pengertian Mikrobiologi Industri

Mikrobiologi 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.

2

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.

3

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.

4

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.

5

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.

6

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

7

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.

8

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

9

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. Macam Glikolisis Hasil akhir utama

1. Fermentasi alkohol

1.1. Oleh khamir HDP etanol, CO2

1.2. Oleh bakteri EDP etanol, CO2

2. Fermentasi asam laktat

2.1. Homofermentasi HDP asam laktat

(Homolaktat)

2.2. Heterofermentasi HMP asam laktat, etanol,

(Heterolaktat) asam asetat dan CO2

10

3. Fermentasi asam propionat HDP asam propionat, asam asetat

CO2

4. Fermentasi asam butiran HDP asam butirat,asam asetat, H2

CO2, butanol, etanol, aseton

Isopropanol.

5. Fermentasi asam campur HDP etanol, asetat, format, H2,

CO2, laktat, suksinat.

6. Fermentasi butanediol HDP butanediol, 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.

11

Glukosa

Jalur HDP

Jalur HMP

Jalur KDGP

Laktat Piruvat Asetaldehid Etanol

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

12

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.

13

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 HDPGlukosa 2 piruvat

piruvat2 NAD 2 NAD dekarboksilasa

14

CO2etanol 2 asetaldehid

alkohol dehidrogenasa

Skema jalur fermentasi alkohol oleh khamir

b.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

15

Bakteri asam propionat menghasilkan asam propionat dari

karbonat, lalu hasil lainnya asam asetat dan CO2

Contoh 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 Erwinia

f. Fermentasi senyawa nitrogen organik, dibagi menjadi 3 macam :

1. Fermentsi asam amino tunggal

2. Fermentasi sepasang amino

(reaksi stickland)

16

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.

17

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

18

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

19

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.

20

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 2n

21

3 Apabila jumlah sel setelah waktu tertentu = N t, 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 2n

5 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 = -------------------

log 2 (t)

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 0.6931k = ------------------ = ---------------------- = ---------- g = t/n = 1/k 0.301 g 0.301 x g g

22

Cara-cara penentuan pertumbuhan :

1 Menentukan jumlah dalam suatu populasi :

a. Dengan plating menggunakan medium yang sesuai, diperoleh :

jumlah x ml-1

b. Menghitung secara langsung dengan pengecatan sederhana :

jumlah x ml-1

2 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-1

Beberapa 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)

23

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

24

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 (contuous 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

25

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 adalah dx/dt = x

Dimana x : konsentrasi biomasa mikrobia

t : waktu (jam)

: kecepatan pertumbuhan spesifik (perjam = jam-1)

e. Dalam integrasi maka : xt = xo et

f. Bila digunakan log normal : ln xt = ln xo + t

26

= (ln xt - ln xo)0.301.t

7 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

27

antara dan substrat yang tersisa di dalam medium yaitu melalui

persamaan Monod (1942) sebagai berikut :

12 St : konsentrasi substrat tersisa Ks : konsentrasi substrat ketika = ½ max

Ks 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 :

28

= max St

Ks + St

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.

29

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):

30

F : kecepatan alir D = 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)

31

dt Ks + S

: waktu generasi kultur

max : kecepatan pertumbuhan maksimal

s : konsentrasi substrat

Ks : konstanta konsentrasi substrat pada = ½ 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 tunak X = 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)

32

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 So

Pada 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

33

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

34

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

35

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.

36

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

37

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

38

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

39

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 kontroksi 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)

40

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 liter untuk skala laboratorium

10 – 500 liter untuk skala percobaan

50- 400.000 liter untuk 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 fermentor Produk

1.

2.

3.

4.

1 – 20.000

40 – 80.000

100 – 150.000

lebih dari 450.000

Ensim diagnostik, substansi biologi

molekuler

Ensim dan antibiotik

Penisilin, antibiotika aminoglikosida,

protease, amilase, transfomasi steroid,

asam amino

41

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

42

־ 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)

43

־ 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 besa maka volume meningkat, memberikan area permukaan

yng meluas.

־ Fransfer 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.

44

־ 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.

45

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)

46

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

47

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

48

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 :

49

Pemisahan bahan tak

larut

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 permukaanion

elektro- elektro- elektro

foresis dialisa osmosis

3. Contoh pengunduhan mikrobia dengan cara sentrifugasi

50

ekstraksi

Bahan tak murniKonsentrasi

produk

Mikorbia Diameter () Metode

Virus, phage

Bakteri

Khamir

Fungi filamentous

0,01 – 0,1

0,30 – 3,0

4,00 – 7,0

10,0 – 150

Ultrasentrifugasi

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

51

b. Ekstraksi

c. Fase idiofase

Pokok Bahasan VII

FERMENTASI METABOLIT PRIMER

52

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

53

־ 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,

54

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. orleanense

1.Proses pembuatan

Pada proses pembuatan cuka terjadi 2 macam perubahan biokimiawi,

yaitu :

1. Fermentasi gula menjadi etil

alkohol, dan

55

2. Oksidasi alkohol menjadi asam

asetat

Tahap pertama adalah proses anaerobik yang dilakukan khamir dan

menghasilkan alkohol

Reaksi : C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH

Glukosa alkohol

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

Alkohol asam asetat

Asetaldehid adalah senyawa intermedier dalam reaksi ini. Di antara

produk akhirnya adalah sejumlah kecil aldehid, ester, aseton, dan

sebagainya.

56

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.

57

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.

58

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

59

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 fermentasi Mikrobia

Bir

Anggur (wine)

Cider

Sake dari beras

Saccharomyces carlbegensi dan S. cerevisieae

Saccharomyces cerevisieae var. ellipsoides

Saccharomyces cerevisieae var. ellipsoides

60

Tuak

Madu difermentasikan

Tape

Kumiss dari susu (Rusia)

Kecap

Miso dari kedelai dan beras

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 :

61

־ 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 CO2

b. 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)

62

(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 :

63

H20 BARRLEY

TANKI PERENDAMAN

RUANG UNTUK MALTING

TUNGKU UNTUK MEMASAK

DEGERMINASI

־ 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, β-amilase, dan terbtnuk ensim baru yaitu

α-amilase

e. α-amilase berperan menyerang pati yang ada disekitarnya, hanya

menyerang pada (rantai C yang laurus) dan tidak mampu

menyerang rantai C yang bercabang (amilodekstrin). β-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

64

b. Melanoidin sangat penting untuk memberi warna dan aroma yang

khas.

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

Dekstrin 4,3 %

Protein 0,3 %

Abu 0,3 % dan CO2

6. 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

65

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 α-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

66

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 :

67

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 khamir Terdapatnya

Candida pulcherima (Metschnikovia

pulcherima)

Sccharomyces cerevisiae

Kloeckera africana; K. apiculata

S. carlsbergensis; S. rouxii

Torulopsis stelatta

Ekstrak (hancuran buah

anggur dan wine

Wine klasik

Wine dan buah anggur

Wine dan buahnya

Wine

68

Wine putih Wine merah

Gambar 2 : Diagram alir pembuatan wine

69

Panen buah

Pembersihan

Penambahan SO2

Presing Fermentasi

Fermentasi Presing

Setelah fermentasi

Setelah fermentasi

Aging Aging

Bottling Bottling

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.

70

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 :

71

Glukose

Fosfoenolpiruvat

CO2 Piruvat

CO2

Oxalo asetat Asetyl Co.A

Sitrat

Cis akonitat

Isositrat

CO2

Α-Ketoglutarat

NH4+

Glutamat

3. VITAMIN

Mikrobia prototrof dapat mensintesa semua vitamin, koensim dan faktor

tumbuh untuk pertumbuhan dan metaboisme

72

Sedikit vitamin yang dihasilkan dalam skala industri dapat dilihat tabel

berikut :

Jenis vitamin

Jenis Mikrobia Medium

Kondisi fermentasi

Ekstraksi 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 spesiesSuboxidans

Gluconobacter oxidans Sub spesiesSuboxidans

- Molase- minyak kedelai- β-ionon- Thianin

- glukosa- kolagen- minyak kedelai- glisin

- D-sorbitol- 30% rendaman jagung

- glukosa- CaCO3

- air rendaman jagung

72 jam 300C, aerob

6 hari360C, 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.

73

Seperti dalam dan mikrobia lain seperti berikut ini :

Spesies Medium AerasiProsesSuhu (0C)

Waktu (jam)

Produk(mg/l)

Bacillus megaterium

Propionibacteriumfreudenreichii

Propiobacterium shermanii

Bacillus coagulans

Streptomyces oliveseae

Pseudomonans denitrifieans

Malase, 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 mineral

Aerobik

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,

74

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 β-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

Benang InducerProdu

(international unit)

Selulase

Dextranase

Invertase

Trichoderma viride

Penicellium funiculosum

Aureobasidium pullulans

SeluloseSelobioseSelobiose diplamitat

DekstranIsomaltosaIsomaltosa dipalmiat

SukrosaSukrosa monopalmiat

22,50,24,8

10802

1098

1,3108

2. Ensim mikrobia dan kegunaannya

a. Amilase

Strain Bacillus dan Aspergillus menghasilkan beberapa ensim yaitu

75

1. α-amilase mengkatalisa hidrolisis ikatan α-1,49 glukosidik,

berfungsi memecah pati menjadi dextrin dan maltosa

2. Amyloglikosidase yang langsung menghasilkan glukosa

dari pati.

3. 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

76

4. Apakah kegunaan penambahan S02 pada ekstrak buah

sebagai bahan dasar fermentasi anggur.

5. Mengapa dalam memproduksi enzim tertentu ditambah

dengan inducer ?

77

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.

78

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 dihambat

Senyawa sntibiotik dari

Fungi

Bakteria

Griseofulvin

Penisilin

Cephalosporin

Asam fusidat

Cycloheximide

Amphosetrim

Pimarcin

Streptomisin

Tetrasiklin

Khloramfenicol

Novobiosin

Erythromisin

Polimysin

Nisin

79

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

80

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

81

Insektisida yang dihasilkan mikrobia

Jenis mikrobia Produk Toksisitas terhadapmanusia

Streptomyces factum

Streptomyces mabaraence

Metarrhizium anisapliae

Aspergillus ochraccus

Aspergillus versicolor

Pactomycin

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 muscaria

Bakteri 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 carpocapsae

Pestisica dari fungi

82

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

83

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

84

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-α-hydroxyl derivat progesteron

menggunakan Aspergillus chraceus. :

Pembntukan 11-α-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

85

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

86

Nama perdagangan Nama 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)

87

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-α-hydroksilasi, 11-β-hydroksilasi, 16-α-hydroksilasi,

21-hydroksilasi

b. Dehidrogenasi

11-α-hydroksilasi

11-α-hydroksi progesteron diperoleh dari progesteron yang

dihasilkan oleh Aspergillus ochroceus, 11-α-hydroksi

progesteron merupakan hasil antara pembuatan cortison.

11-β-hydroksilasi

Steroid hidrokartison (cortisol) langsung oleh Curvularia

lunata atau ensim hewan mammalia

16-α-hydroksilasi

Hidroksilasi ini dilakukan oleh Streptomyces. Reaksi ini

menjadi penting karena mampu membentuk 16 hidroksi 9α-

88

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/ erlenmeyer

Aspergillus ochroceus NRRL 405

A. niger

ATCC9142

Mucor gricocyanus

ATCC1207 A

Penicellium chrysogemus WIS 53-414

40

60

80

100

<1

3,2

3,8

3,0

+

2,1

2,0

+

-

-

-

-

+

1,8

2,0

1,0

89

120

140

160

+

-

-

-

-

-

6,3

4,5

-

+

-

-

Media : 200 gr gandum, sterilisasi 1 jam suhu 1210 C, inkubasi 280 C

selama 7 hari untuk A ochroceus, untuk fungi suhu inkubasi 250

C selama 14 hari. Kelembaban relatif 50 – 6 %.

Setelah memperoleh spora banyak lalu diunduh, atau disimpan dalam

refrigerator pada suhu -200 C. Spora lalu digunakan dengan dimasukkan

ke dalam larutan buffer phosphat, asetat atau sitrat. Kemudian sitrat

ditambahkan, lalu dilarutkan kedalam 0,01 % Tween 80, pada akhirnya

terjadi biokonversi. Biokonversi kadang-kadang terjadi bila tersedia gula

dengan konsentrasi 0,2 – 0,4 % glukosa dengan spora A. ochraceus atau

Mucor griseocyanus

Latihan soal Pokok Bahasan IX

1. Mengapa steroid penting sebagai agensia therapeutik?

2.Jelaskan biokonversi steroid melalui reaksi hidroksilasi ? Beri contoh

3.Jelaskan perbedaan antara biokonversi steroid melalui reaksi hidroksilasi

dan hidrogenasi

4.Sebutkan 3 macam steroid dan mikrobia penghasilnya

5. Apakah fungsi steroid bagi manusia

90

.

Pokok Bahasan X

PRODUKSI PROTEIN SEL TUNGGAL

Deskripsi singkat

Di negara yang sedang berkembang anak-anak kekurangan protein.

Untuk mengatasi hal ini Protein advisary Group bersama-sama WHO (World

Health Organization) perlu memenuhi kekurangan makanan pada umumnya,

khususnya protein. Maka mikrobia digunakan untuk produksi makanan bagi

manusia telah dilakukan seperti roti, keju, yogurt, kecap dan lain sebagainya

Sumberprotein yang berasal dari mikrobia uniseluler dan multiseluler

telah diproduksi sejak perang dunia pertama. Kualitas suatu protein ditentukan

oleh kandungan asam amino. Kandungan asam amino protein sel tunggal perlu

diketahui mengingat sangat berhubungan dengan fungsi protein sel tunggal

sebagai makanan tambahan dan sumber protein utama.

Nutrien Protein Sel Tunggal (PST) harus memenuhi kebutuhan gizi

baik untuk manusia dan hewan. Kandungan asam nukleat Protein Sel Tunggal

tidak boleh lebih dari 8,5% karena bila manusia kelebihan asam nukleat akan

91

mengakibatkan timbulnya gangguan pencernaan, ginjal, gangguan kulit

dengan terakumulasinya senyawa karsinogenik. Asam nukleat pada protein sel

tunggal dapat diturunkan dengan cara diekstraksi menggunakan 10% sodium

clorida, dengan pH 9,5 dan panas untuk menurunkan sampai konsentrasi 2 %.

Kualitas protein dapat dibedakan berdasarkan uji layak yaitu PER (Protein

Efficiency Ratio (PER) dan BV (Biological Value) serta protein digestivility)

Tujuan Instruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan tentang macam substrat, jenis

mikrobia untuk PST, faktor-faktor yang mempengaruhi produksi PST,

toksisistas, nilai nutrisi dan penurunan asam nukleat PST.

A. Mikrobia sebagai makanan

1. Pemanfaatan mikrobia untuk produksi makanan bagi manusia telah

lama dilakukan. Contoh : Roti, keju, yogurt, kecap, minuman

beralkohol.

2. Mikrobia lebih menguntungkan bila dikembangkan sebagai sumber

protein atau sebagai protein sel tunggal karena :

a. Kecepatan pertumbuhan lebih cepat dibandingkan hewan dan

tumbuhan

b. Pemeliharaannya tidak tergantung musim, lahan, pengairan dan

sebagainya.

Kelemahan protein sel tunggal adalah kandungan asam nukleat

tinggi, padahal manusia bila mengkonsumsi protein sel tunggal

92

berlebihan, maka asam nukleat akan terakumulasi sehingga

menimbulkan gangguan pencernaan, ginjal, kulit.

B. Substrat dan mikrobia untuk PST

Substrat untuk produksi PST dapat menggunakan limbah industri,

limbah pertanian baik bentuk padat dan cair. Limbah cair meliputi melase,

cairan whey susu, sulfite liquor. Limbah pertanian berbentuk padat

misalnya limbah pabrik tahu, limbah pertanian yang mengandung

selubiosa, gula.

CO2 dapat digunakan sebagai sumber karbon bagi algae dan hidrogen

bakteri. Bakteri dan fungi tertentu (Graphium, Trichoderma) dapat

menggunakan methan dan methanol. Pati dari hasil sisa pembuatan kertas

dapat ditumbuhi Endomycopsis fibuliger dan Candida utilis dapat

menghasilkan amilase.

Hdrokarbon digunakan sebagai substrat produksi PST oleh kebanyakan

khamir dan fungi (Tabel)

Genera khamir yang mampu menggunakan hidrokarbon alifatik

untuk pertumbuhan

n-alkana (parafin) 1-alkena (olefin)Candida, Mycotorula, Torulopsis, Cryptococcus, Pichia, Trichosporon, Endomycopsis, Rhodotorula, Saccharomyces, Hasenula

Candida, Debaryomyces, Hasenula, Rhodotorula

93

Genera fungi felamentos yang mampu menggunakan hidrokarbon

alifatik untuk pertumbuhan

n-alkana (parafin) 1-alkena (olefin)Abisida

Acremonium

Aspergillus

Botrytis

Cephalosporium

Chaetomium

Chloridium

Cladosporium

Colletotricum

Cunninghamella

Dematium

Epicoccum

Fusarium

Gliocladum

Graphium

Hellicostylum

Helminthosporium

Monilia

Mucor

Oidiodendron

Paecilomyces

Penicellium

Rhizopus

Scolecobasium

Spicaria

Syncephalastrum

Aspergillus

Cephalosporium

Cunninghamella

Fusarium

Helminthosporium

Spicaria

94

Trichoderma

C. Kondisi Kultur

Garam ammonium atau nitrat biasanya digunakan untuk mempelajari

kebutuhan sumber nitrogen oleh mikrobia. Kemudian pH medium untuk

pertumbuhan khamir perlu diatur asam (4,5-5,5), untuk bakteri

membutuhkan pH netral (6,0-9,5), sedang untuk bakteri hijau biru,

Spirulina maxima memerlukan pH basa (9-11).

Temperatur optimum untuk pertumbuhan mikrobia bervariasi, ada

yang tumbuh baik pada suhu antara 28- 400 C.

Produksi khamir pada media minyak gas dipreparasi dalam kondisi

tidak steril, demikian juga algae yang ditumbuhkan di dalam danau

terbuka, selalu terjadi kontaminasi bakteri dan protozoa.

Apabila produksi protein sel tunggal menggunakan substrat

hidrokarbon akan timbul banyak masalah karena kemungkinan bersifat

karsinogenik. Problemnya antara lain solubilitas hidrokarbon rendah.

Sollubilitas n alkana dalam air pada temperatur 250C.

95

Alkana Konsentrai larutan tidak jenuh (molar)Heksana

Oktana

Dekana

Dodekana

Tetradekana

1,1 x 10-4

5,8 x 10-6

3,3 x 10-7

1,7 x 10 x –8

9,8 x 10-10

Faktor yang perlu diperhatikan didalam penggunaan fermentor yaitu :

a. Media c. Perumbuhan sel

b. Kelarutan hidrokarbon d. Gas untuk aerasi

Apabila hidrokarbon tidak mengandung o2 padahal sangat diperlukan

untuk aerasi yaitu untuk bakteri sebesar 25 % sedang khamir 30 %.

Penggunaan O2 untuk fermentasi hidrokarbon sebesar 2,5 – 3,5 % kali,

tetapi bila hidrokarbon dalam bentuk metan sampai 4 – 5 kali, bila

dibandingkan dengan substrat glukosa. Evolusi panas biasanya diperlukan

lebih banyak (Tabel)

Pengaruh substrat dan produk sel terhadap kebutuhan oksigen dan

pembebasan panas

Mikrobia Substrat Poduk

Sel (gr/l)

Kebutuhan oksigen

Gr/100 gr sel

Pembebasan panas

Kcal/100 gr sel

Kj/100 gr sel

Khamir KH 0,5 67 30 1591

96

Khamir

Bakteri n-alkana

n-alkana

1,0

1,0

197

172

799

780 3345

3266

Susunan kimia sel yang dipanen dipengaruhi oleh sifat medium dan

kondisi kultur lainnya, misalnya perbandingan protein dan lemak

dipengaruhi oleh perbandingan antar karbon dan nitrogen (C : N) dalam

suatu medium. Apabila kandungan nitrogen mendium rendah maka

pertumbuhan tebatas, tetapi lemak terakumulasi di dalam sel. Sebagai

contoh kandungan lemak pada media yang mengandung nitrogen terbatas

Rhodoturula mempunyai 60 % lemak, Mocordia 70 %, Chlorella 80 %.

D. Nilai nutrisi protein sel tungal.

Komposisi mikrobia yang berguna sebagai sumber makanan terdiri

dari 10 – 15 % purin atau base pirimidin (Tabel)

Komposisi sel mikrobia (%) berat kering

Fungsi filamentous Algae Khamir BakteriNitrogen

Lemak

Abu

Asam nukleat

5 – 8

2 – 8

9 – 14

-

7,5 – 10

7,0 – 20

8,0 – 10

3,0 – 8

7,5 – 8,5

2,0 – 6,0

5,0 – 9,5

6,0 – 12

11,5 – 2,5

1,5 – 3

3,0 – 7

8,0 – 16

97

Kandungan asam amino mikrobia sebesar 70 – 80 % dari seluruh N

sel mikrobia. Mikrobia dapat bersintesa asam amino essensial yang sangat

berguna untuk pertumbuhan dan sumber nutrisi bagi manusia.

Asam amino essensial dari bermacam-macam mikroorganisme bila

dibandingkan dengan gandum dan albumen telur dapat diamati pada tabel

di bawah ini .

Kandungan asam amino essensial dari jagung, albumin telur dan

makanan dari mikrobia (gr/16 gr N)

Asam amino Jagung

Albumin telur

Makanan dari mikrobia1 2 3 4 5 6

Lisin

Threonin

Sitein

Methionin

Tryptophan

Isoleucine

2,8

2,9

2,5

1,5

1,1

3,3

6,5

5,1

2,4

3,2

1,6

6,7

4,6

4,6

0,4

1,4

1,4

6,0

7,7

4,8

-

1,7

1,0

1,6

7,8

5,4

0,9

1,6

1,3

5,3

5,3

4,5

0,3

1,8

-

3,9

8,6

4,5

-

2,7

1,1

4,6

3,9

-

-

1,0

1,25

3,2

Keterangan :

1. Spirulina maximum 5. Alcaligenes europhus

2. Saccharomyces cereviceae 6. Penicellium notatum

98

3. Candida lipolytica

4. Pseudomonas methanol

Kandungan vitamin yang berasal dari mikrobia (mg/100 berat kering)

Vitamin Morchella hortensis

Candida utilis

S.cerevisiae Methylomonas methanica

Thiamin

Riboflavin

Niacin

Piridoksin

As.Pantotenat

1

Kholin

As. Folat

Inositol

Biotin

Vitamin B12

0,54

1,31

12,40

2,62

2,60

4,61

1,09

1,78

0,015

0

-

0,53

4,50

41,73

3,34

3,72

-

2,15

-

0,23

0

1,7

5,0 – 36

3,6 – 4,2

32,0 – 100

2,5 – 100

10,0

-

1,5 – 8

-

0,5 – 1,8

0

0,9 – 10

1,81

4,82

15,90

14,30

2,42

968,00

-

-

-

0,96

-

99

As. P aminoBenzoat

Konsumsi asam nukleat sebesar 2 gram/hari merupakan batas aman,

mengingat bagi orang yang diberi asam nukleat dengan dosin aman setelah

dilakukan uji klinis dan dibandingkan dengan penderita kencing batu,

kandungan asam urat lebih besar dari pasien.

Hubungan konsumsi asam nukleat dengan asam urat

dalam serum dan air kencing

As. Nukleat Serum (mg/100 ml)

Kandungan asam urat air kencing (mg/hari)

0

2

4

8

0

2,9

5,8

8,7

4,9

6,0

7,7

9,4

4,5

7,9

8,8

9,4

375

667

933

1.393

510

1.190

1.850

1.871

100

Catatan: Kandungan normal asam urat dalam serum darah: 2-6 mg/100

ml

air kencing : 300-700 /mgr hari

Kebanyakan hewan mempunyai ensim urikase yang mampu

memecah asam urat menjadi alantoin yang mempunyai kelarutan lebih

besar, sehingga mudah diekskresikan bersama urine. Hewan penghasil

ensim urikase selain anjing, burung dan mammalia yang tidak termasuk

primata. Tetapi babi tidak mampu mengakomodasi basa purin yaitu guanin

sehingga babi mudah terkena penyakit ginjal.

Pemecahan purin menjadi urea dan produk akhir sebagai ammonia.

Pemecahan basa purin :

+ H2O1. Adenin hypoxanthin + NH3

adenase

+ H2O2. Guanin xanthin + NH3

guanase

+ ½ O2

+ H2O3. Allantoin asam urat

urikase+ ½ O2

Penurunan kadar asam nukleat dalam protein sel tunggal

Kandungan asam nukleat dalam protein sel tunggal yang terlalu

tinggi akan menimbulkan hambatan nutrisi secara langsung pada, manusia

usaha untuk mengurangi kadar asam nukleat menggunakan beberapa cara

101

antara lain : heat shock incubation lalu berkembang menjadi heat shock

Bovin Pancreatic ribonuclease, pengendapan menggunakan asam, dan

hidrolisa pakai asam dan basa.

Cara penurunan kandungan asam nukleat

Asam nukleat sangat mudah larut dalam larutan basa encer lebih

mudah larut dalam air panas tapi sukar larut dalam air dingin, dan tidak

larut dalam alkohol.

Pemecahan asam nukleat dilakukan dengan secara kimiawi maupun

secara ensimatis, cara pengendapan menggunakan zat kimia atau dengan

sentrifugasi.

Latihan soal pokok bahasan X

1. Sebutkan tiga macam spesies mikrobia yang dapat dipakai sebagai sumber

protein sel tunggal (PST)?

2. Mengapa protein sel tunggal tidak boleh mengandung asam nukleat lebih

dari

standard?

3. Jelaskan salah satu cara penurunan asam nukleat PST?

4. Apakah perbedaan antara Protein efficiency Ratio (PER) dan Protein

Digestibility (PD)

5. Apakah yang dimaksud dengan :

a. Biological value

102

b. Microbial food

c. Heat Shocking incubation

Pokok Bahasan XI

PENANGANAN LIMBAH INDUSTRI

Deskripsi singkat

Setiap proses industri yang menghasilkan produk dan limbah baik

dalam bentuk padat dan cair. Limbah pabrik dapat berupa senyawa organik

dan anor- ganik. Limbah ini bila tanpa diolah terlebih dulu, lalu begitu saja

dibuang ke lingkungan akan mengakibatkan terjadi pencemaran. Biasanya

industri fermen- tasi tidak mengandung material toksik, tetapi limbah tersebut

banyak mengan- dung senyawa organik yang mudah didegradasi oleh

mikrobia. Sehingga kan-

dungan oksigen terlarut dalam limbah akan menghambat pertumbuhan

organis- me didalam lingkungan . Maka limbah industri sebelum dibuang ke

lingkungan perlu diolah terlebih dahulu baik secara fisik, kimia dan secara

hayati mengguna kan mikrobia.

103

Penangan limbah secara fisik yaitu dengan menyisihkan limbah padat

secara fisik dari bagian cairan. Kalau secara kimiawi partikel diendapkan atau

dikonjugasi /flokulasi menggunakan ferrous atau ferisulfat, almunium sulfat

atau calcium hidroksida sebagai koagulan. Penanganan limbah secara hayati,

dapat menggunakan cara aerob dan anaerob oleh kumpulan mikrobia yang

disebut lumpur aktif atau activity sludge. Parameter kimiawi fisik yang

digunakan sebagai indikator & kualitas air meliputi : kekeruhan, bahan padat

terlarut, BOD, COD, suhu, pH, warna aroma, detergen senyawa radioaktif dan

lain sebagainya. Parameter mikrobiologis meliputi kandungan E coli,

streptocou-cus dari mikrobia patogen

Tujuan instruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan sifat fisik dan kimia limbah, cara

penanganan limbah secara aerob dan anaerob oleh lumpur aktif

1. Pendahuluan

104

BAHAN MENTAH

LIMBAH

PRODUK

BAHAN ANORGANIK

BAHAN ORGANIK- Masa sel dan

padatan tersuspensi- Air: air cucian,

pendingin, air limbah

DIBUANG

Di dalam industri fermentasi, melalui suatu proses bahan mentah

dikonversikan menjadi berbagai macam produk dan sejumlah limbah

yang bermacam-macam tergantung proses yang digunakan.

2. Faktor-faktor yang perlu diamati selama survey buangan pabrik

a. Kecepatan alir limbah setiap hari

b. Kekeruhan, warna

c. Padatan tersuspensi

d. Oksigen terlarut, BOD dan COD

e. pH dan suhu

f. Kandungan toksik logam, CL-, sulfida, sianida, fenol dan

deterjen

g. Bau dan rasa

h. Radioaktivitas

105

DITAMPUNG

POLUSI LINGK.

DIPERLUKAN

MEDIA UTK PROSES LAIN

PAKAN TERNAK

EFFLUENBERSIH

Kadar oksigen terlarut

Esensial untuk pertumbuhan beberapa jasad renik

Konsentrasi oksigen terlarut: 4 mg/dm-3 atau 90 %

konsentrasi jenuh pada suhu dan salinitasn ambien.

Dipengaruhi oleh partikel-partikel bahan organik

terlarut

Metoda pengukuran yang sering digunakan untuk

oksigen terlarut :

Keperluan oksigen biokimia (BOD): ukuran kuantitas oksigen

yang

diperlukan untuk oksidasi bahan organik di dalam air, oleh

mikrobia . yang terkandung di dalamnya pada inteval waktu

dan suhu tertentu.

־ Kadar oksigen effluen ditentukan dengan memasukkan

limbah atau larutan limbah ke dalam botol berwarna gelap,

sebelum dan setelah diinkubasi pada suhu 200 C selama 5

hari.

־ Penurunan oksigen dapat dihitung dengan satuan O2 yang

dikonsumsi per dm3 sampel.

־ Pengukuran ini digunakan hanya untuk menentukan bahan

yang dapat didegradasi.

־ Pada umumnya BOD diukur setelah 5 hari inkubasi.

106

b. Keperluan oksigen kimia (COD)

־ Uji dilakukan dengan memperlakukan sampel dengan

sejumlah larutan Potasium dikromat asam yang mendidih

selama 2,5 sampai 4 jam, kemudian sisa dikromat dititrasi

dengan ferro sulfat atau fero-ammonium sulfat.

־ Bahan organik teroksidasi sebanding dengan potasium

dikromat yang digunakan.

־ Metode ini digunakan untuk mengukur semua kandungan

bahan organik yang mudah dan sukar terdegradasi, baik yang

rekalsiran maupun yang bersifat toksik.

־ Perbandingan BOD : COD yang ideal untuk buangan antara

0,2-0,5 : 1

־ Beberapa buangan industri yang komposisinya bervariasi

mempunyai rasio BOD : COD bervariasi pula,

Strategi untuk pengolahan limbah industri

־ Perlu survey ke pabrik-pabrik khususnya untuk pelaksanaan program

penanganan limbah yang ekonomis.

־ Mengindentifikasi sumber-sumber air yang tak terkontaminasi dan yang

terkontaminasi yang kemungkinan digunakan kembali.

־ Limbah yang pekat agar disendirikan untuk diolah untuk menghasilkan

bahan yang lebih berguna. Penanganan limbah pekat lebih ekonomis

bila dibandingkan dengan effluent yang lebih encer.

107

־ Effluent yang lebih encer memerlukan pompa dan penampung untuk

mengendapkan bahan yang terkandung di dalamnya.

Uji laboratoris untuk menentukan sistem yang akan

digunakan

־ Beberpa persyaratan: parameter-parameter yang telah disebut

־ Mencari teknik untuk :

Menurunkan kadar garam

Mengkoagulasi partikel tesuspensi dan koloid dan memecah

emulsi

Beberpa strategi untuk menanggulangi limbah atau

menangani limbah adalah : (3R) Reduced, Re-used dan Re-cycled.

־ Reduced : mengurangi seminim mungkin tebentuknya

limbah dengan memperbaiki proses pengolahan.

־ Re-used : memanfaatkan limbah untuk bahan bakar

selama prosesing. Pada umumnya dikaitkan dengan sumber air untuk

pemanfaatannya.

־ Re-cycling : mengolah kembali sebagai bahan dasar

prosessing. Khususnya untuk limbah-limbah industri yang masih

mengandung sejumlah bahan yang dapat dimanfaatkan sebagai

makanan, pakan ternak, pembenah tanah dan bahan bakar.

Daya buangan industri

108

- BOD : 40.000 – 70.000 mg/l-1 untuk limbah yang mengandung

miselium jamur

- BOD buangan industri alkohol : 10.000 – 25.000 mg/l-1

Penanganan dan pembuangan limbah

1. Effluen dibuang ke sungai atau laut tanpa perlakuan terlebih dahulu

2. Effluen dibuang ke tanah, lagoon, dimasukkan ke sumur.

3. Sebagian effluen dibuang langsung tanpa perlakuan dan sebagian

diperlakukan terlebih dahulu sebelum dibuang

4. Semua effluen dikirim ke penampungan limbah untuk diperlakukan

5. Semua effluen ditangani terlebih dahulu di industri itu sendiri.

Proses penanganan limbah. Fermentasi limbah

meliputi 3 proses

- Perlakuan secara fisik

- Perlakuan secara kimia

- Perlakuan secara biologi

Latihan soal pokok bahasan XI

1. Mengapa Escherichia asli digunakan sebagai indikator pencemaran ?

2. Jelaskan salah satu cara penanganan limbah secara anaerob?

3. Beri contoh penanganan limbah pada menggunakan mikrobia?

4. Jelaskan salah satu penanganan limbah menggunakan koagulan

109

5. Apakah yang dimaksud dengan

a. Lumpur aktif

b. Metanogenik

c. Biological oxigen Demand

d. Aklimasi

110