teknologi fermentasi_revisi
DESCRIPTION
Teknik KimiaTRANSCRIPT
LEMBAR PENGESAHAN
1. Judul Modul Ajar : BIOPROSES (BAGIAN 2)Digunakan Pada Mata KuliahSemester
::
BIOPROSES1
2. Penulis Utama1. Nama Lengkap2. NIP3. Pangkat/golongan4. Jabatan5. Program Studi6. Jurusan
:::::::
IR. SRI RULIANAH, MP19630211 198803 2001Pembina/4aStaf PengajarTEKNIK KIMIATEKNIK KIMIA
3. Jumlah AnggotaTim Penulisa. Nama Anggota 1b. Nama Anggota 2
:::
2 orangIR DWINA MOENTAMARIA, MTIR. DIAH MEILANY, MT
4. Bidang Ilmu : BIOPROSES5. Sumber Dana : Modul ajar ini dibiayai dengan dana DIPA Nomor :
0622/023-04.2.01/15/2012 tanggal 9 Desember 2011 Politeknik Negeri Malang
Malang, ................................Menyetujui,
Ketua Jurusan Teknik Kimia, Penulis Utama,
Ir. Hardjono, MT Ir. Sri Rulianah, MP
NIP. 19600205 198803 100 1 NIP. 19630211 198803 2001
Mengetahui,
Direktur
Politeknik Negeri Malang
Ir. Tundung Subali Patma, MT
NIP. 19590424.1988031.002
SURAT PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini:
1
Nama Lengkap : Ir Sri Rulianah, MPinuri, ST.NIP : 19630211 198803 2001Bidang Ilmu : Bioproses Pangkat/Golongan : Pembina/4aI / IIIbJabatan Fungsional : Lektor KepalaJurusan/Program Studi : Teknik Kimia/Teknik Kimia.Perguruan Tinggi : Politeknik Negeri Malang
Dengan ini menyatakan bahwa:
1. Naskah modul ajar bidang ilmu “Bioproses ” dengan judul:
”BIOPROSES (BAGIAN 2)”
Belum pernah diterbitkan dan bebas dari plagiarisme.2. Bersedia menuntaskan naskah modul ajar sesuai waktu yang ditentukan. Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Malang, ……………….. 2012
Disahkan oleh,Ketua Jurusan Teknik Kimia, Yang membuat,
Ir. Hardjono, MT Ir. Sri Rulianah, MPNIP 19600205 198803 100 1 NIP 19630211 198803 2001
Mengetahui:Direktur
Ir. Tundung Subali Patma, M.T.NIP 19590424 198803 1 002
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, atas berkat rahmat dan belas kasih Allah swt modul ajar
TEKNOLOGI BIOPROSES ini dapat penulis selesaikan. Modul ajar ini
merupakan bagian dari kewajiban penulis selaku tenaga pengajar di jurusan
Teknik Kimia Politeknik Negeri Malang.
2
Tak lupa penulis sampaikan terimakasih kepada pihak-pihak yang telah
banyak membantu, diantaranya
Bapak Direktur Politeknik Negeri Malang
Bapak Pembantu Direktur I Politeknik Negeri Malang
Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Malang
Selanjutnya dengan modul ajar ini diharapkan dapat memberi sumbang
saran ke dunia pendidikan khususnya Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri
Malang.
3
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN......................................................................................i
SURAT PERNYATAAN.........................................................................................i
DAFTAR ISI...........................................................................................................iv
DAFTAR TABEL..................................................................................................vii
DAFTAR GAMBAR............................................................................................viii
BAB 1 TEKNOLOGI FERMENTASI.............................................................1
1.1 TEKNOLOGI FERMENTASI..................................................................1
1.1.1 Pertimbangan Fermentasi...................................................................4
1.1.2 Pemilihan Strain Mikroba..................................................................4
1.1.3 Kriteria rancang bangun media..........................................................5
1.1.4 Pembentukan Produk.........................................................................5
1.1.5 Rancang bangun proses......................................................................6
1.1.6 Produktifitas.......................................................................................6
1.2 MIKROORGANISME INDUSTRI..........................................................6
1.2.1 Kriteria mikroorganisme Industri.......................................................6
1.2.2 Sumber Mikroorganisme Industri......................................................7
1.2.3 Pemeliharaan Mikroorganisme Industri............................................8
1.3 FERMENTASI MEDIA PADAT...........................................................11
1.4 FERMENTASI TERENDAM (SUBMERGED)....................................12
1.5 PEMBIBITAN UNTUK FERMENTASI SECARA INDUSTRIAL......12
BAB 2 ENZIM.................................................................................................15
2.1 SEJARAH PERKEMBANGAN ENZIM...............................................16
2.2 FASE-FASE PERTUMBUHAN MIKROBA.........................................17
2.3 MOLEKUL ENZIM................................................................................18
2.3.1 Kofaktor Enzim................................................................................18
2.3.2 Peran Kofaktor/koenzim..................................................................18
2.4 PENAMAAN ENZIM.............................................................................18
2.5 PENAMAAN NON SISTEMATIK........................................................19
2.6 AKTIVITAS ENZIM..............................................................................20
2.7 MEKANISME REAKSI ENZIM............................................................20
2.8 PERANAN ENZIM................................................................................21
2.9 ANALISIS KEAKTIFAN (AKTIVITAS) ENZIM................................22
2.10 ENZIM DAN LINGKUNGANNYA..................................................22
4
2.11 ENZIM ALLOSTERIK......................................................................23
2.12 ISOLASI DAN PEMURNIAN ENZIM..............................................24
2.13 PEMURNIAN ENZIM........................................................................25
2.14 STABILISASI ENZIM........................................................................26
2.14.1 Stabilisasi Enzim Yang Larut..........................................................27
2.14.2 Stabilisasi Secara Imobilisasi...........................................................28
2.15 INHIBISI ENZIM................................................................................29
2.15.1 Inhibisi Kompetitif...........................................................................30
2.15.2 Inhibisi Non Kompetitif...................................................................31
2.15.3 Inhibisi Inkompetitif........................................................................31
2.15.4 Inhibisi Substrat...............................................................................32
BAB 3 PRODUK - PRODUK FERMENTASI...............................................33
3.1 Produk Fermentasi Menggunakan Mikroba............................................33
3.2 PRODUK FERMENTASI ALKOHOL/BIOETANOL..........................38
3.3 PRODUK FERMENTASI TEMPE........................................................42
3.4 PEMBUATAN RAGI ROTI (bakers yeast)............................................43
3.5 PRODUKSI ENZIM DAN PEMANFAATANNYA..............................45
3.6 PRODUKSI ENZIM PROTEASE..........................................................46
3.7 AMILASE...............................................................................................47
3.8 LIPASE...................................................................................................48
3.8.1 Uji mikroskopis................................................................................49
3.8.2 Regenerasi Bacillus subtilis.............................................................50
3.9 Produksi dan Isolasi Lipase.....................................................................50
3.9.1 Uji Aktivitas Lipase.........................................................................50
3.10 SELULASE.........................................................................................51
3.10.1 Produksi enzim selulase...................................................................52
3.10.2 Pengambilan enzim..........................................................................52
3.10.3 Analisa hasil.....................................................................................53
BAB 4 BIOREAKTOR....................................................................................54
4.1 PENDAHULUAN...................................................................................54
4.2 PERANCANGAN BIOREAKTOR........................................................55
4.3 APLIKASI BIOREAKTOR....................................................................57
4.4 KULTUR PRODUKSI............................................................................57
4.4.1 Kemostat..........................................................................................58
5
4.4.2 Kemostat Dengan Resirkulasi..........................................................59
4.4.3 Kemostat Yang Disusun Seri...........................................................60
4.4.4 Kultur Fed Batch..............................................................................60
4.4.5 Kultur Batch.....................................................................................62
4.5 JENIS-JENIS BIOREAKTOR................................................................63
4.5.1 Skala Laboratorium..........................................................................63
4.5.2 Bioreaktor Industri...........................................................................63
4.5.3 Bioreaktor Membran........................................................................64
4.5.4 Landfill.............................................................................................65
DAFTAR PUSTAKA............................................................................................67
6
DAFTAR TABEL
Tabel 2-1 Penamaan dan Klasifikasi enzim menurut CEIUB (Commission on Enzymes of the International Union of Biochemistry)..........................................18Tabel 2-2 Enzim dengan kofaktor logam (Metaloenzim)......................................19Tabel 3-1 Enzim dan aplikasi pemakaiannya........................................................45
7
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1-1 Operasi dasar yang berhubungan dengan proses fermentasi............10Gambar 1-2 Urutan tahap-tahap pada aplikasi mikroorganisme dalam industri. .11Gambar 1-3 Tahapan pengembangan kultur untuk fermentasi.............................14Gambar 1-4 Diagram alir proses fermentasi secara umum...................................15Gambar 2-1 Gambar mekanisme lock and key.....................................................21Gambar 2-2 Model Induced fit..............................................................................21Gambar 2-3 Pengaruh suhu pada aktivitas enzim.................................................23Gambar 2-4 Skema enzim allosterik.....................................................................24Gambar 2-5 Skema model imobilisasi enzim, (a) carrier bond, (b) cross linked, (c) matriks, (d) kapsul............................................................................................29Gambar 2-6 Skema inhibisi kompetitif enzim......................................................30Gambar 2-7 Mekanisme Inhibisi Non Kompetitif................................................31Gambar 2-8 Mekanisme Inhibisi Inkompetitif......................................................32Gambar 3-1 Akibat minum minuman beralkohol.................................................34Gambar 3-2 Skema pembuatan bioetanol dari tetes tebu......................................35Gambar 3-3 Skema pembuatan MSG dari tetes tebu............................................36Gambar 3-4 Skema pembuatan Asam sitrat dari onggok/ampas tapioka.............36Gambar 3-5 Reaksi biokatalisator pada bidang bioproses....................................37Gambar 3-6 Proses pembuatan produk fermentasi secara umum.........................37Gambar 3-7 Proses pembuatan etanol dari berbagai macam bahan baku.............38Gambar 3-8 Mekanisme reaksi pembuatan alkohol..............................................41Gambar 3-9 Bacillus subtilis.................................................................................49Gambar 3-10 Reaksi interesterifikasi minyak nabati melalui rute reaksi non alkohol menjadi biodiesel dengan biokatalis lipase ( Hermansyah, 2009 )...........51Gambar 3-11 Aspergillus niger.............................................................................52Gambar 4-1 Skema Bioreaktor.............................................................................55Gambar 4-2 Skema kemostat................................................................................58Gambar 4-3 Kemostat dengan resirkulasi.............................................................59Gambar 4-4 Kemostat disusun seri.......................................................................60Gambar 4-5 Kultur fed batch................................................................................61Gambar 4-6 Siklus dalam kultur batch.................................................................62Gambar 4-7 Bioreaktor skala laboratorium..........................................................63Gambar 4-8 Bioreaktor industri............................................................................64Gambar 4-9 Skema MBR (Membrane BioReactor).............................................64Gambar 4-10 Skema Landfill................................................................................65
8
BAB 1 TEKNOLOGI FERMENTASI
CAPAIAN PEMBELAJARAN
Mahasiswa dapat mengenal, mengerti dan memahami teknologi fermentasi
Mahasiswa dapat memahami proses fermentasi
Mahasiswa dapat mengetahui produk-produk fermentasi dari aktivitas
mikroba
1.1 TEKNOLOGI FERMENTASI
Teknologi fermentasi merupakan ilmu dan teknik terapan yang saat ini
berkembang pesat. Teknologi fermentasi menerapkan secara terpadu cabang-
cabang ilmu mikrobiologi, biokim, kimia, keteknikan, biologi molekular dan
genetika. Teknologi fermentasi telah membuka lembaran baru dalam upaya
manusia untuk memanfaatkan bahan- bahan yang murah harganya bahkan tidak
berharga menjadi produk-produk yang bernilai ekonomi tinggi dan berguna bagi
kesejahteraan umaat manusia. Lebih lanjut lagi kemajuan-kemajuan yang dicapai
dalam bidang teknologi fermentasi telah memungkinkan manusia untuk
memproduksi berbagai jenis produk yang tidak dapat atau sulit diproduksi melalui
proses kimia.
Teknologi fermentasi mempunyai bidang cakupan yang luas, yaitu mulai
dari teknik produksi makanan fermentasi, minuman beralkohol, produksi
biomassa (inokulum, protein sel tunggal), produksi asam-asam organik, asam-
asam amino, enzim, vitamin, antibiotika dan sebagainya sampai pada teknik
penanganan limbah.
Setiap proses fermentasi mendayagunakan aktivitas metabolisme suatu
mikroba tertentu atau campuran dari beberapa spesies mikroba. Dari sudut
industri, mikroba merupakan pabrik kimia yang mengubah bahan baku menjadi
berbagai jenis produk. Industri fermentasi modern mendayagunakan teknologi
mutakhir berdasarkan ilmu keteknikan yang maju dan pengetahuan yang
mendalam mengenai biokimia dan aktivitas metabolisme mikroba.
Industri fermentasi modern di Indonesia masih sangat terbatas. Mengingat
potensi bahan baku yang melimpah di Indonesia, maka upaya pengembangan
industri fermentasi untuk memproduksi berbagai jenis produk yang bernilai
ekonomi tinggi, perlu mendapat perhatian. Aktivitas metabolisme mikroba
9
mempunyai dasar yang sama, tetapi masih ditemukan berbagai ragam variasi
terhadap pola dasar. Hal ini terbukti dari banyaknya ragam bahan baku atau
substrat yang dapat dicerna oleh suatu jenis mikroba dan banyaknya jenis
produk yang dapat dihasilkan pada berbagai kondisi lingkungan yang diberikan.
Sebelum melangkah ke teknologi fermentasi terlebih dahulu kita fahami
pengertian proses fermentasi.
Umumnya kata fermentasi diartikan untuk semua kegiatan yang menunjuk
pada berbagai aksi mikroba. Tetapi dalam mikrobiologi “ fermentasi”
dimaksudkan sebagai aksi mikrobial yang tertentu dan jelas. Supaya
memudahkan, semua kegiatan microbial dikelompokkan di dalam pertumbuhan,
asimilasi, biosintesa dan disimilasi.
Pertumbuhan, kata ini dipakai bagi individu tunggal atau organisme –
organisme yang membentuk koloni, mencakup peningkatan ukuran sel serta
reproduksi sel secara langsung dengan pembelahan, pertunasan atau pembentukan
badan khusus seperti spora dan konidia.
Asimilasi yaitu aktivitas yang mengubah berbagai komponen substrat,
menjadi substrat sel, sehingga memberikan pertumbuhan dan aktivitas hidup
yang diperlakukan.
Biosintesa yaitu pembentukan senyawa – senyawa kompleks dalam sel
dalam jumlah yang lebih banyak daripada yang diperlukan untuk menjaga dan
mempertahankan aktivitas normal sehari – hari. Senyawa biosintesa, yang
umumnya adalah substansi aktif biokimia esensial (enzim, vitamin,
antibiotika, toksin, dll) dapat tetap berada dalam sel tetapi lebih sering
dikeluarkan dari sel dan masuk ke dalam substrat. Biosintesa biasanya tidak khas
untuk suatu spesies, tetapi khas untuk suatu strain. Baik asimilasi dan biosintesa
bersama- sama disebut anabolisme dan merupakan proses yang memerlukan
energi. Energi ini berasal dari proses disimilasi atau katabolisme.
Disimilasi, yaitu proses pengubahan senyawa substrat yang merupakan
sumber energi bagi organisme) atau senyawa – senyawa di dalam sel seperti
glikogen dan ATP (yang merupakan cadangan energi) menjadi senyawa yang
tingkat energinya lebih rendah, sedemikian rupa hingga energi dibebaskan dalam
proses ini. Disimilasi berlangsung di dalam sel dan produk – produknya
dikeluarkan ke media sekitarnya. Disimilasi terutama menghasilkan senyawa
organic, sedikit senyawa anorganik dan beberapa unsur. Contohnya adalah
karbohidrat, glikosida, alkohol mono dan polibasa, aldehid, asam mono dan
10
polibasa, asam keto dan hidroksi, hidrokarbon, asam amino, dan amina,
sejumlah garam Fe, Mn, dan As, unsur karbon, belerang, dan lain-lain.
Proses disimilasi bersifat oksidatif dan dapat berlangsung dengan:
1) Penambahan oksigen
2) Pelepasan hydrogen, atau
3) Pelepasan electron
Yang paling sering yaitu pelepasan hydrogen/proses dehidrogenasi dari
substansi induk yang disebut donor hydrogen. Hidrogen dibawa oleh suatu
pembawa seperti enzim dan pigmen pernafasan ke suatu substrat yang dapat
direduksi yang disebut akseptor hydrogen. Yang dapat bertindak sebagai akseptor
hydrogen adalah oksigen dari udara, satu atau lebih senyawaan antara yang
terbentuk selama proses disimilasi, atau senyawa lain yang dapat direduksi yang
terdapat dalam substrat.
Bila oksigen dari udara masuk ke dalam reaksi disimilasi dan
bertindak sebagai akseptor hydrogen, maka prosesnya disebut aerobic
(oksibiotik). Bila disimilasi berlangsung tanpa adanya oksigen dari udara,
prosesnya disebut fermentasi sejati (desimilasi anaerobic). Misalnya: Substrat
glukosa dapat dioksidsi sempurna dan menghasilkan H2O dan CO2, tetapi dapat
juga dioksidasi sampai berbagai tingkat yang menghasilkan berbagai produk
oksidasi tak sempurna seperti asam glukonat, asam sitrat, asam oksalat, alcohol,
dan sebagainya. Energi yang dibebaskan oleh oksidasi aerobic jauh lebih besar
daripada yang dibebaskan oleh proses fermentasi.
Oksidasi aerobic :
C6 H 12 O6+6 O2❑→
6C O2+6 H 2O+ 674 kkal
Fermentasi :
C6 H 12 O6+6 O2 Sacharomyces ceeviceae→
6 C2 H 5 OH+2 C O2+22 kal
11
Dari kedua reaksi tersebut menunjukkan bahwa jumlah energi yang dibebaskan
oleh oksidasi aerobic jauh lebih besar daripada yang dibebaskan oleh proses
fermentasi.
1.1.1 Pertimbangan Fermentasi
Secara garis besar, ada 5 hal penting yang sangat mempengaruhi proses produksi
fermentasi. Ke lima hal tersebut adalah :
a. Skala industri dan harga pasar produk yang sangat menentukan kapasitas
produksi tahunan.
b. Biokimia produk, sangat menentukan produktivitas ekonomi minimum
dan pendugaan kapasitas laboratorium menjadi kapasitas pilot plant dan
kapasitas industri.
c. Kriteria ekspresi, menetukan apakah produksi ekstra seluler
memungkinkan.
d. Seleksi Inang (host), menentukan kapasitas produksi tertinggi dari suatu
spesies mikroorganisme tertentu.
e. Kondisi Fermentasi, menentukan dampak ekonomi dari media dan biaya
operasi keseluruhan.
Beberapa bidang khusus membutuhkan pengujian terinci pada skala
laboratorium dan seluruh penggandaan (scale up) khususnya dari proses
rekombinan, yakni :
- Pemilihan strain mikroba.
- Kriteria rancangbangun media.
- Pembentukan produk dan ekspresi
- Produktivitas.
- Rancang bangun proses.
1.1.2 Pemilihan Strain Mikroba
Pemilihan strain sangat tergantung kepada teori klon (cloning theory). Tipe
produk dapat diklasifikasikan dalam tiga cara, yakni :
a. Menurut tipe metabolisme terkait.
b. Menurut kenyataan apakah produk itu sendiri adalah produk gen
rekombinan (protein) atau hasil sintesis sebagai konsekuensi perubahan
metabolisme bakteri oleh inklusi gen rekombinan.
c. Nilai produk.
12
Strain terpilih hendaknya memiliki criteria sebagai berikut :
- Mampu bekerja untuk berbagai substrat yang beragam.
- Memiliki ciri fermentasi yang baik tanpa memerlukan O2 yang berlebihan
dan pembangkitan panas.
- Suhu fermentasi tak terbatas.
- Tidak menghasilkan enzim pendegradasi dan tahan terhadap toxsisitas
produk
- Tidak patogen.
- Untuk penghasil bahan theurapeutik tidak menghasilkan endotoksin.
- Dapat mempertahankan stabilitas genetic.
- Tahan terhadap infeksi bakteri
- Mudah dikontrol.
1.1.3 Kriteria rancang bangun media.
Walaupun media sangat khusus untuk produksi suatu produk, namun
beberapa butir kebutuhan umum dibawah ini diperlukan :
a. Apakah survey pasar menjanjikan prospek yang baik ?
b. Apakah formulasi media memberikan biaya yang mahal ?
c. Rute produksi terpilih (batch, sinambung, imobilisasi)
d. Konsentrasi sisa minimal pada produk jadi.
e. Adanya jaminan ketersediaan komponen substrat secara lestari
1.1.4 Pembentukan Produk
Produk akhir secara kuantitatif tergantung kepada :
1. kapasitas sintesis.
2. kestabilan system sintesis.
3. ketersediaan substrat.
4. perolehan produk dalam pemurnian (recovery).
Kapasitas sintesis tergantung pada beberapa criteria fisiologik yakni :
- Jumlah enzim yang ada.
- Aktivitas enzim khusus
- Kestabilan dan ketersediaan komponen – komponen pensintesa (m- RNA,
t- RNA dan lain-lain).
1.1.5 Rancang bangun proses
13
Terdapat empat proses dasar yang umum dilakukan yakni :
- operasi system batch
- operasi system batch yang diumpani (feed batch)
- operasi system sinambung (continue)
- operasi imobilitas, yakni operasi menggunakan sel atau enzim yang telah
diimobilisasi.
1.1.6 Produktifitas
Perhitungan produktifitas yang didefinisikan sebagai massaproduk
terbentuk per unit volume per jam harus mempertimbangkan 2 faktor penting
yaitu:
1. Waktu putar (turn around time) fermentasi
2. Kerusakan dalam laju pembentukan produk selama fermentasi
berlangsung
1.2 MIKROORGANISME INDUSTRI
1.2.1 Kriteria mikroorganisme Industri
Mikroorganisme adalah kunci keberhasilan atau kegagalan suatu
fermentasi. Tanpa memperhatikan keadaan alami produk yang dapat
dihasilkannya, atau rumitnya proses rekayasa yang terjadi, mikroorganisme harus
memiliki beberapa keunggulan yang diperlukan untuk keberhasilannya suatu
proses fermentasi. Menurut Hesseltine dan Haynes (1973) ciri – ciri di bawah ini
perlu dimiliki oleh strain mikroorganisme yang unggul (superior).
Ciri – ciri tersebut yaitu :
1. Strain sel harus merupakan kultur yang murni, bukan hanya bebas dari
mikroorganisme – mikroorganisme lain, tetapi harus bebas dari faga.
2. Secara genetic, strain tersebut harus stabil.
3. Strain tersebut harus siap dapat memproduksi berbagai sel vegetatif, spora,
atau unit – unit reproduktif lainnya.
4. Strain tersebut harus mampu tumbuh dengan cepat dan kuat sesaat setelah
diinokulasikan pada tangki pembibitan.
5. Strain tersebut harus dapat menghasilkan produk yang diinginkan dalam
jangka waktu yang pendek.
14
6. Jika memungkinkan, strain tersebut hendaknya mampu melindungi dirinya
sendiri dari kontaminasi. Cara melindungi dirinya sendiri, dapat berupa
penurunan pH, mampu tumbuh pada suhu tinggi, atau mampu dengan
cepat menghasilkan suatu inhibitor microbial yang diinginkan.
7. Strain tersebut hendaknya mampu disimpan untuk jangka waktu yang
lama.
8. Strain tersebut hendaknya mampu memproduksi produk yang diinginkan,
tanpa menghasilkan produk lain yang bersifat racun (senyawaan beracun).
Produk yang diinginkan tersebut harus dengan mudah dipisahkan dari
senyawa – senyawaan atau bahan – bahan lainnya.
9. Strain tersebut hendaknya mudah menerima perubahan oleh bahan – bahan
mutagenic tertentu. Program mutasi dapat dilakukan dengan tujuan untuk
mengembangkan strain tersebut sehingga mampu meningkatkan
produksinya.
1.2.2 Sumber Mikroorganisme Industri
Mikroorganisme unggul yang memiliki ciri – ciri diatas dapat diisolai dari
suatu sumber alami, atau diperoleh dari suatu kolesi kultur. Sumber – sumber
kultur mikroorganisme industri adalah tanah, air, sayur – sayuran yang segar,
terfermentasi atau sayuran yang busuk, tanaman dan hewan hidup, bahan buangan
(limbah), pangan yang segar atau yang telah busuk, rumput dan juga kotoran
serangga, dan lain-lain.
Sumber kultur yang dapat segera diambil adalah dari koleksi kultur.
Koleksi kultur ini umumnya dikelola oleh badan – badan penelitian fermentasi
atau swasta. Mikoorganisme yang terdapat pada koleksi kultur ini merupakan
hasil isolasi secara terus – menerus. Isolasi kultur adalah suatu kegiatan
pemisahan suatu kultur mikroorganisme khas dari campuran biakan beberapa jenis
mikroorganisme yang terdapat di alam. Kultivasi adalah pertumbuhan populasi
microbial pada lingkungan buatan, yakni suatu medium kultur, pada kondisi
tertentu di laboratorium.
1.2.3 Pemeliharaan Mikroorganisme Industri
Mikroorganisme industri adalah suatu aset perusahaan yang sangat
berharga, oleh karena itu prosedur dan cara pemeliharaan yang bersifat rahasia.
15
Setiap industri fermentasi berusaha agar industri saingannya tidak mengetahui
cara pemeliharaan mikroorganismenya.
Dibawah ini dikemukakan beberapa alasan mengapa kultur – kultur
tersebut perlu dipelihara dengan baik.
1. Penelitian – Seleksi (Screening)
Kultur – kultur yang digunakan didalam suatu program penelitian
diperoleh dari:
Program seleksi organisme – organisme baru dari sample tanah atau
sumber – sumber lainnya
Suatu koleksi kultur milik perusahaan sendiri
Koleksi lembaga – lembaga lain, Penelitian kultur yang
sinambung/kontinyu diharapakan akan dapat menjamin pekerjaan
penggandaan skala (scale - up) ataupun pengerjaan pengembangan.
2. Penelitian – Pengembangan
Bila suatu kultur telah diputuskan untuk dikembangkan, maka cara–cara
pelestarian komponen – komponen tersebut harus diketahui dengan baik. Kultur
mikroorgnisme tersebut untuk penyimpanan jangka panjangnya harus disimpan
pada pusat koleksi industri. Pengembangan metode baru harus terus menerus
diteliti.
3. Pengujian Organisme In Vitro dan In Vivo
Pelaksanaan evaluasi produk – produk potensial dan pemantauannya dapat
dilakukan melalui penggunaan system tes In Vitro dan In Vivo dari yang sangat
sederhana sampai yang canggih, dengan menggunakan mikroorganisme yang
dapat menunjukkan respon yang spesifik terhadap bahan – bahan yang sedang
dievaluasi. Pada kajian ini perlu diperhitungkan masalah – masalah yang
menyangkut mutasi, kontaminasi dan proses penuaan (aging).
4. Produksi
Beberapa industri tertentu mutlak tergantung pada kemampuannya untuk
memproduksi organisme yang dibutuhkannya. Oleh karena itu system
pemeliharaannya yang digunakan untuk memproduksi strain tersebut harus dapat
menjamin bahwa strain tersebut tetap potensial untuk membuat keuntungan
perusahaan.
5. Pengawasan
Pengujian strain yang digunakan pada labortorium pengawasan harus
dapat menunjukkan variasi yang sekecil mungkin. Taraf kepercayaan pengujian
16
harus bernilai tinggi, karena ini sangat penting untuk mengontrol kualitas produk
yang dihasilkan. Prosedur pengawasan mutu juga harus dapat diverifikasi oleh
laboratorium – laboratorium pengujian milik pemerintah.
6. Perlindungan paten
Kultur yang unggul kemudian dapat diajukan untuk suatu pendaftaran
paten atau untuk dipatenkan. Namun kultur ini harus sudah dapat tersedia untuk
penjualan umum pada saat pengujian paten tersebut atau apalagi bila hal paten
tersebut telah diperoleh. Oleh karena itu kultur ini harus disimpan disuatu tempat
koleksi kultur yang telah dikenal oleh lembaga paten yang bersangkutan.Kultur
yang disimpan tersebut harus disertai dengan dokumen-dokumen yang memuat
keterangan tentang segala sesuatu yang menyangkut penemuan dan daya guna
kultur tersebut.
Informasi – informasi penting yang perlu disertakan bersama dengan
kultur mikroorganisme pada lembaga paten diantaranya adalah :
a) Sumber isolasi
b) Medium isolasi
c) Media pertumbuhan berikutnya
d) Waktu dan suhu inkubasi
e) Alasan dan pertimbangan penyimpanan kultur
f) Kandungan- kandungan bahan yang tidak lazim
g) Rujukan, dan lain-lain
17
Gambar 1-1 Operasi dasar yang berhubungan dengan proses fermentasi
Fermentasi dapat dilakukan dengan metode kultur permukaan dan kultur
terendam (submerged). Medium kultur permukaan dapat berupa medium padat,
semi padat atau cair. Sedangkan kultur terendam dilakukan dalam medium cair
menggunakan bioreaktor yang dapat berupa labu yang diberi aerasi, labu yang
digoyang dengan “ shaker “ atau fermentor.
Dewasa ini proses fermentasi untuk memproduksi berbagai produk industri
lebih banyak menggunakan teknik kultur terendam. Walaupun demikian kultur
permukaan yang menggunakan medium padat/semi padat masih banyak
digunakan untuk memproduksi berbagai jenis asam organik dan enzim.
18
Gambar 1-2 Urutan tahap-tahap pada aplikasi mikroorganisme dalam industri
1.3 FERMENTASI MEDIA PADAT
Fermentasi media padat ini sering disebut sebagai proses”koji”. Bahan
padat yang banyak digunakan sebagai substrat ialah berbagai jenis hasil
pertanian dan limbah pertanian. Fermentasi media padat mempunyai beberapa
kelebihan, antara lain cara operasinya sederhana, kontaminasi bukan masalah
penting, bahan untuk media atau substrat mudah diperoleh dan relatif murah
harganya. Sedangkan kelemahannya antara lain memerlukan ruang yang luas,
membutuhkan banyak tenaga kerja, sulit mengatur komposisi komponen-
komponen media dan meniadakan komponen yang berpengaruh negatif terhadap
media fermentasi, dan sulit mengatur kondisi lingkungan fermentasi.
Fermentasi media padat telah sejak lama diterapkan, misalnya proses koji
untuk memproduksi enzim yang dibutuhkan dalam pembuatan shoyu, miso dan
sake, produksi asam-asam organik, enzim dan sebagainya.
Proses fermentasi media padat biasanya dilakukan pada suhu ruang yang
relatif konstan dan merupakan kultur yang statis walaupun sekali-sekali dilakukan
pengadukan. Pertumbuhan kapang pada media padat dengan kelembaban yang
tinggi (kadar air tinggi) menyerupai sifat pertumbuhannya di alam. Karena itu
melalui fermentasi media padat sering diperoleh enzim-enzim yang spesifik yang
sulit timbul dalam kultur cair.
Kultur statis tanpa aerasi
Contoh spesifik kultur statis yang menggunakan substrat padat ialah proses
koji tradisional dalam pembuatan sake yang diproduksi oleh kapang Aspergillus
oryzae, dimana pada permukaan beras yang telah dikukus ditaburkan spora
kapang A. oryzae. Juga dapat ditemukan pada pembuatan tempe gandum yang
19
telah dikukus dilakukan Wang dan Hesseltrine (1966), yang diinokulasi dengan
suspensi spora Rhizopus oligosporus. Akan terjadi pelepasan air akibat
metabolisme karbohidrat setelah germinasi spora (8 jam).
Kultur statis dengan aerasi
Untuk dapat mempertahankan suhu optimum dan kelembaban yang merata
di seluruh bagian kultur, industri fermentasi telah menerapkan otomatisasi dalam
proses fermentasi yang menggunakan media padat. Untuk memproduksi asam
sitrat digunakan media campuran molases, bekatul beras, serbuk gergaji dan air
dan inokulum Aspergillus niger dengan mengalirkan udara (RH mendekati 100 %,
suhu 300C) utuk aerasinya.
1.4 FERMENTASI TERENDAM (SUBMERGED)
Dibandingkan dengan medium padat, medium cair mempunyaai beberapa
kelebihan, yaitu antara lain (1) jenis dan konsensentrasi komponen-komponen
medium dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan, (2) dapat memberikan
kondisi yang optimum untuk pertumbuhan, dan (3) pemakaian medium lebih
effisien.
Medium cair dapat digunakan pada fermentasi permukaan dan terendam.
Fermentasi permukaan medium cair merupakan cara fermentasi yang sejak lama
dipraktekkan untuk memproduksi berbagai produk fermentasi, misalnya produksi
asam asetat secara tradisional. Fermentasi permukaan medium cair ini mulai
ditinggalkan sejak fermentasi teredam terbukti lebif efisien, khususnya dalam
memproduksi produk-produk fermentasi yang bernilai ekonomis tinggi dan
menghendaki sterilitas yang tinggi, misalnya produksi antibiotika.
1.5 PEMBIBITAN UNTUK FERMENTASI SECARA INDUSTRIAL
Penyediaan bibit untuk fermentasi secara besar-besaran dengan
menggunakan ragi atau bakteri tidak merupakan persoalan yang sulit, karena
bentuk vegetatifnya yang aktif dari mikriorganisme ini terdiri dari sel-sel tunggal
yang dapat dipakai secara langsung untuk pembibitan. Lain halnya dengan
kapang, jika digunakan sebagai bibit agak sukar karena bentuk vegetatif aktifnya
merupakan serabut yang terjalin satu sama lain dan membentuk suatu massa yang
kompak, sehingga hanya sebagian saja bersinggungan dengan perbenihannya.
Cara pembibitan tidak dapat secara langsung dilakukan dari agar miring
(biakan miring) ke fermentor, karena akan memerlukan waktu yang lama sehingga
20
tidak ekonomis. Selama pembuatan bibit-bibit secara bertahap ini sampai ke
fermentor, harus dilakukan secara aseptik dengan peralatan yang steril. Bibit yang
dibuat dengan suspensi daripada hasil fragmentasi mycelium terdiri dari
mycelium dalam keadaan aktif, yang dapat segera tumbuh dan melakukan
fermentasi begitu bibit dimasukkan ke dalam fermentor. Distribusi daripada
mycelium lapuk seperti di atas dapat berlangsung dengan mudah dan lebih sama
rata dari pada dengan spora-sporanya, karena spora-spora ini pada umumnya lebih
sukar dibasahi oleh cairan, sehingga akan terjadi suspensi yang tak sama rata.
Pembuatan inokulum/bibit-bibit tadi dilakukan secara bertahap, yaitu dari
biakan murni pada agar miring, mikroorganisme diaktifkan dalam perbenihan
yang akan difermentasi selama 24 – 48 jam. Perbenihan cair yang pertama ini
dimasukkan ke dalam perbenihan cair yang volumenya lebih besar dari volume
yang pertama. Volume bibit ini terus ditingkatkan sampai volume bibit mencapai
5 – 20 % dari volume perbenihan yang difermentasi.
Gambar 1-3 Tahapan pengembangan kultur untuk fermentasi
Pembibitan secara bertahap ini dimaksudkan untuk memberi kesempatan
pada mikroorganisme untuk menyesuaikan dirinya dengan kondisi perbenihan,
sehingga apabila bibit dimasukkan ke dalam fermentor bibit itu sudah benar-benar
21
aktif dan tidak perlu penyesuaian lagi. Hal ini berlaku bagi semua
mikroorganisme.
Gambar 1-4 Diagram alir proses fermentasi secara umum
LATIHAN SOAL
1. Apa yang dimaksud dengan “fermentasi”?
2. Terangkan 2 jenis metode kultur fermentasi!
3. Fermentasi media padat sering disebut sebagai proses ……………..
4. Mengapa pembibitan di industri dilakukan secara bertahap?
BAB 2 ENZIM
Capaian Pembelajaran
Setelah mempelajari bab “ENZIM” mahasiswa mampu:
22
1. Memahami dan menjelaskan tentang produk-produk hasil aktivitas
mikroorganime, fase-fase pertumbuhan mikroba yang berkaitan dengan
produksi yang dihasilkan.
2. Memahami dan menjelaskan pengertian tentang enzim, termasuk bagian
bagian dari molekul enzim, peran kofaktor, prinsip penamaan enzim.
3. Memahami dan menjelaskan aktivitas enzim, mekanisme reaksi enzim,
peranan enzim, analisis keaktivan enzim, enzim dan lingkungannya, enzim
allosterik, isolasi dan pemurnian enzim.
4. Memahami dan menjelaskan tentang stabilisasi enzim termasuk stabilisasi
dengan cara imobilisasi.
5. Memahami dan menjelaskan kinetika inhibisi enzim (irreversible, dan
reversible/kompetitif inhibitor, nonkompetitif inhibitor, dan inkompetitif
inhibitor)
Enzim adalah biokatalisator yang dihasilkan oleh mikroorganisme
hidup di dalam protoplasmanya, yang terdiri atas protein atau senyawa yang
berikatan dengan protein.
(Sumber http://josuasilitonga.file.wordpress.com/2010/10/enzymestructure.gif)
2.1 SEJARAH PERKEMBANGAN ENZIM
Khasiat dan kinerja enzim yan secara alamiah terdapat dalam alam,
tumbuhan, binatang, mikroba telah lama secara naluri diketahui oleh
nenek moyang kita.
Contoh : Pembuatan arak dari nira ( secara tradisional ), Pembuatan
keju,tempe, kecap (secara tradisional).
Setelah abad ke 20 :
Gula anggur diubah menjadi alkohol
Mulai tahun 60 an :
23
Cara ekstraksi : pemurnian, pemanfaatan skala indusri.
Tahun 60 an sampai sekarang, ilmu enzim berkembang pesat.
Contoh: Penggunaan enzim pada detergen sebagai penghilang noda dan
lemak. Penggunaan enzim pada pasta gigi
Produksi berbagai senyawa, misalnya: antibiotika, asam – asam organic,
vitamin dan lain- lain dialkukan secara fermentasi, pada hakekatnya
memanfaatkan kerja suatu enzim.
Contoh: - Pengempukan daging
- Produksi dekstrosa, glukosa, HFS dari sagu, produksi berbagai
macam enzim,
- dan masih banyak lagi contoh contoh yang lain.
Dari segi mikrobiologi industry, aktivitas mikroorganisme menghasilkan
produk yang dibagi atas :
Biomassa sel (sebagai produk)
Bio Enzim (enzim)
Metabolit primer dan sekunder
Tranformasi (Biokonversi)
2.2 FASE-FASE PERTUMBUHAN MIKROBA
Fase lag:
Enzim sudah dibuat untuk mendegradasi protein
Kadang – kadang fase lag ini tidak ada, ketika mikroba sudah
cocok dengan nutriennya.
Fase pertumbuhan (Fase logaritmik) :
Pertumbuhan sangat cepat, pembelahan mikroba terjadi sangat
cepat.
Pada fase ini kita dapat mengukur waktu generasi mikroba.
Fase yang paling tepat untuk mengisolasi enzim yang dihasilkan sebagai metabolit primer
Fase Stasioner :
Pertumbuhan mikroba mulai terhenti karena
Nutrien pertumbuhan yang vital habis.
Terbentuknya produk yang dalam kadar tinggi bersifat inhibitor
terhadap enzim sehingga terjadi inhibisi umpan balik. Dan
kadar produk yang tinggi bisa bersifat racun bagi mikroba itu
sendiri
24
2.3 MOLEKUL ENZIM
Molekul Enzim merupakan protein globular (bentuk molekul protein
bulat). Terdiri atas dua bagian :
6. Bagian protein (apoenzim), bersifat tidak tahan panas, dan berfungsi
menentukan kekhususan dari enzim
7. Bagian non protein (kofaktor).
Gabungan kedua bagian ini sebut holoenzim, ikatan antara keduanya ada
yang lemah tetapi juga yang kuat (ikatan kovalen). Yang terikat kuat dinamakan
gugus prostetik. Koenzim bersifat termostabil (tahan panas), kofaktor berperan
sebagai stabilisator agar enzim tetap aktif.
2.3.1 Kofaktor Enzim
• Kofaktor anorganik berupa ion logam, Zn2+ , Mg2+ , Mn2+ , Fe2+ , Cu2+ , K+ ,
Na+
• Kofaktor organik (koenzim) berupa NAD (Nicotineamide Adenine
Dinucleotide), NADP (Nicotineamide Adenine Dinucleotide Phosphate),
FMN (Flavin Mononucleotide), FAD (Flavin Adenine Dinucleotide),
koenzim A dan koenzim Q
2.3.2 Peran Kofaktor/koenzim
• Pengubah struktur tiga dimensi molekul substrat yang terikat sehingga
terjadi interaksi aktif antara enzim dan substrat
• Penstabil konformasi protein agar enzim tetap berada dalam suatu bentuk
yang aktif sebagai katalis
• Menjadi substrat lain dalam keseluruhan reaksi yang sedang berlangsung
2.4 PENAMAAN ENZIM
Prinsip penamaan Enzim berdasarkan tipe reaksi yang dikatalis atau
berdasarkan gugus subtrat yang diserangnya seperti tersaji dalam tabel 2-1
berikut.
Tabel 2-1 Penamaan dan Klasifikasi enzim menurut CEIUB (Commission on Enzymes of the
International Union of Biochemistry)
No Kelas Tipe reaksi yang dikatalisa
25
1. Oksidoreduktase Oksidasi-Reduksi2. Transferase Pemindahan gugus fungsional tertentu
dari molekul donor ke molekul akseptor3. Hidrolase Hidrolisis atau pemecahan ikatan secara hidrolitik4. Liase Pemecahan ikatan selain dengan cara hidrolisis atau oksidasi5. Isomerase Isomerisasi
6. Ligase, dan masih banyak contoh lain
Pembentukan ikatan akibat kondensasi dua senyawa berbeda dengan energy yang disediakan dari hasil penguraian ATP
2.5 PENAMAAN NON SISTEMATIK
• Menambahkan akhiran –ase pada nama substratnya
• Lebih populer
• Lebih mudah diingat
• Protease, lipase, selulase, amilase dan lain-lain
Tabel 2-2 Enzim dengan kofaktor logam (Metaloenzim)
Kofaktor Enzim
Zn2+ Alkohol dehidrogenase, karbonik anhidrase, karboksipeptidase, RNA dan DNA polimerase
Mn2+ Fosfohidrolase, fosfotransferase, heksokinase
Mg2+ Arginase, fosfotransferase
Fe2+ atau Fe3+ Sitokrom, peroksidase, katalase, feredoksin
Cu2+ atau Cu+ Tirosinase, sitokrom oksidase
Ni2+ Urease
K+ Piruvat kinase (juga memerlukan Mg2+)
Na+ ATPase membran plasma (juga memerlukan K+ dan Mg2+)
2.6 AKTIVITAS ENZIM
1. Aktivitas Molekuler, yaitu jumlah molekul substrat yang diubah per
satuan waktu oleh satu molekul enzim atau oleh satu sisi aktif enzim
26
bila enzim tersebut merupakan faktor pembatas laju reaksi (dulunya
dikenal sebagai turnover number)
2. Unit aktivitas enzim (enzyme unit), yaitu jumlah enzim yang
mengkatalisa perubahan satu mikromol (10-6 mol) substrat per menit
pada suhu dan pH optimum kerja enzim tersebut.
3. Aktivitas spesifik, jumlah unit aktivitas enzim per miligram protein
4. Aktivitas spesifik bisa menjadi ukuran kemurnian enzim dan nilainya
akan meningkat selama proses pemurnian enzim
2.7 MEKANISME REAKSI ENZIM
Pembentukan kompleks enzim substrat (ES) dilakukan pada bagian
tertentu yang sangat spesifik yang disebut dengan lokasi aktif (active
site).
Aktivitas katalitik enzim dilakukan oleh struktur tiga dimensi molekul
enzim tersebut.
Suatu molekul substrat berikatan dengan bagian aktif enzim melalui
suatu mekanisme yang khas dan selektif.
Ada 2 macam mekanisme reaksi enzim yang merupakan sebuah hipotesa
yaitu :
1. Lock and key (model gembok dan kunci)
Gambar 2-5 Gambar mekanisme lock and key
Bentuk ruang pada bagian aktif enzim adalah khusus sedemikian rupa
(rigit, kaku) hingga molekul substrat dengan bentuk yang khusus pula yang dapat
27
masuk pada bagian aktif tersebut seperti sepasang kunci dan anak kuncinya
(gembok).
2. Induced fit (Induksi):
Perubahan konformasi molekul enzim terjadi untuk menyesuaikan dirinya
dengan bentuk molekul substrat. Kompleks yang terjadi antara S dengan E
disebabkan oleh induksi substrat terhadap konformasi enzim. Perubahan
konformasi yang terjadi dapat ditentukan dengan berbagai cara pengukuran rotasi
optic. Dalam gambar di bawah ditampilkan skema induksi enzim.
Gambar 2-6 Model Induced fit
2.8 PERANAN ENZIM
A reaktan ↔ keadaan transisi ↔ P produk
Energi pengaktifan,
Dengan menaikkan temperatur, jumlah molekul yang masuk ke keadaan
transisi akan makin banyak.
Fungsi Katalitik : Mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energy
pengaktifan.
Katalisator bergabung dengan reaktan sedemikian rupa sehingga dihasilkan
keadaan transisi.
E + S ↔ ES transisi → E + P
2.9 ANALISIS KEAKTIFAN (AKTIVITAS) ENZIM
1. Kualitatif
28
Reaksi kimia, yaitu dengan substrat yang dapat dikatalisis oleh
enzim tersebut.
Contoh: E + S ↔ ES transisi → E + P
2. Kuantitatif :
Mengukur laju reaksi dipelajari dalam Teori Kinetika Enzim
Jumlah enzim lebih banyak dinyatakan dalam bentuk aktivitas enzim
diukur dalam satuan atau unit enzim.
2.10 ENZIM DAN LINGKUNGANNYA
1. Pengaruh Suhu
Semakin tinggi suhu laju reaksi semakin naik hingga batas tertentu. Di
atas temperature tertentu keaktifan enzim menurun. Sehingga ada
suhu optimumnya.
Rumus Arrhenius
k = A e –E/RT
log k =−E
2.303 R 1T
+ log A
V = K2 [E]
K2 = A e –Ea/RT
Daya tahan enzim terhadap panas:
Penyebab perbedaan daya tahan panas dari sumber atau asal enzim
(bakteri, jamur dan lain – lain).
Regenerasi enzim:
- Enzim yang sudah diinaktifkan, kembali aktif selama penyimpanan.
- Digunakan pada pengolahan bahan pangan.
- Contoh : enzim peroksidase, lipase (pada susu).
Pengaruh suhu pembekuan:
Beberapa enzim dapat terdenaturasi pada suhu pembekuan .
3. Pengaruh pH :
Beberapa jenis enzim memiliki ion – ion pada lokasi aktifnya.
Perubahan pH medium (asam dan basa) akan mengubah bentuk ion,
aktivitas enzim dan laju reaksi enzim.
29
Perubahan pH, merubah struktur tiga dimensi enzim sehingga untuk
menghasilkan produk yang maksimal maka enzim harus bekerja
pada pH optimum.
Dalam beberapa hal, substrat juga dapat mengandung ion.
Pada enzim yang sama, sering pH optimumnya berbeda.
Untuk merubah pH dapat digunakan bahan alami.
Gambar 2-7 Pengaruh suhu pada aktivitas enzim
4. Pengaruh garam
Kadar garam (elektrolit) yang tinggi mempengaruhi kelarutan enzim.
- Salting in (enzim larut)
- Salting out (enzim tak larut)
2.11 ENZIM ALLOSTERIK
Enzim yang memiliki lebih dari satu lokasi aktif yang selalu bisa berubah
menjadi tidak aktif
Tidak sesuai dengan hokum Michaelis – Menten
Kurva berbentuk sigmoid
Ukurannya lebih besar dan lebih kompleks
30
Gambar 2-8 Skema enzim allosterik
2.12 ISOLASI DAN PEMURNIAN ENZIM
Untuk Isolasi Enzim, yang perlu diperhatikan adalah
Sumber Enzim
Sifat Enzim : Ekstra seluler atau Intra seluler
Untuk enzim Intra seluler, dipakai peralatan sebagai berikut saat
mengisolasi :
1. Ultrasonik : Getaran Ultrasonic, frek. 20.000 – 100.000 Kilocycle/det.
2. French press : - Penekanan melalui lubang kecil, sel dipaksa keluar,
karena daya geser menyebabkan sel pecah.
3. Homogenisasi : - Pemampatan sel melalui celah sempit sehingga
dinding sel pecah akibat tekanan dan gesekan.
4. Tekanan Osmosa:
- Jika sel diletakkan dalam lingkungan yang tekanan osmosanya <<
tek.osmosa sel.
- Cairan dari luar sel masuk ke dalam sel menyebabkan sel
mengembang dan akhirnya pecah.
5. Lumpang / mortir (2 – 4 0C)
2.13 PEMURNIAN ENZIM
Ekstra seluler:
- Sentrafugasi : pemisahan bahan padat dari media fermentasi
- Filtrasi
31
Hasilnya: Supernatan adalah filtrate
Intraseluler:
- Pemecahan sel
- Sentrafugasi : Supernatan
Pemisahan Enzim berdasarkan :
Ukuran →BM
Kelarutan
Muatan
A. UKURAN
1. Metode sentrifugasi gradient densitas :
Protein mengendap, yang dapat mengatasi gaya difusi dengan arah
berlawanan.
2. Metode kromatografi penyaringan molekul atau gel filtrasi dan lain-lain
B. KELARUTAN:
Sebagai fungsi dari pH, kekuatan ion dielektrik, pelarut, suhu.
pH : menentukan muatan – muatan antara lain penyusun protein.
pH iso elektrik : - protein mengendap
- Tidak ada gaya tolak menolak diantara protein
sehingga protein bersatu.
C. MUATAN
Kekuatan ion :
- Penambahan garam netral
- Berdasarkan jumlah muatan kation dan anion
- Muatan / kekuatan ion >> protein mengendap →salting out
Contoh Amunium Sulfat.
2.14 STABILISASI ENZIM
Enzim murni umumnya tidak dapat disimpan untuk waktu yang lama tanpa
kehilangan efektifitasnya. Enzim – enzim asli tunduk terhadap inaktivitas oleh
32
faktor – faktor kimia, fisik dan biologi. Inaktivitas dapat terjadi baik selama dalam
penyimpanan maupun pada waktu digunakan, karena itu bertitik tolak dari
kenyataan tingginya biaya produksi enzim, maka enzim – enzim yang diproduksi
diharapkan tetap stabil sampai bebarapa bulan dengan aktivitas yang tetap tinggi
pada berbagai kondisi, maka perlu di stabilkan.
Terdapat empat metode dasar untuk menghasilkan enzim yang stabil yaitu :
1. Stabilisasi enzim – enzim yang larut.
Stabilisasi enzim – enzim yang larut dilakukan dengan cara menambahkan
bahan aditif atau modifikasi secara kimia. Cara ini meningkatkan
kestabilan enzim terhadap faktor – faktor fisik dan kimia tanpa mengalami
penurunan sifat kelarutannya.
2. Stabilisasi melaluhi ikatan silang (Cross – linkage atau polimerisasi)
Ikatan silang milekul enzim adalah ikatan enzim satu sama lain
sedemikian rupa sehingga tidak mempengaruhi aktifitasnya. Enzim yang
telah berikatan silang ini tidak lagi bersifat larut sehingga dapat digunakan
berulang kali.
3. Pengikat enzim dengan bahan pembawa
Dalam metode ini enzim tidak berhubungan atau berikatan satu sama yang
lain, tetapi dengan suatu bahan pembawa (carrier). Pengikat enzim
diakukan sedemikian rupa sehingga tidak mempengaruhi aktivitasnya, dan
dapat digunakan beruang kali.
4. Kapsul enzim dengan metose ini enzim – enzim ini dipisahkan oleh
membran semi permeabel dari substrat dan produk–produk yang
terbentuk. Kapsul enzim dapat digunakan berulang kali. Metode 2, 3, dan
4 dikenal sebagai metode imobilisasi enzim.
2.14.1 Stabilisasi Enzim Yang Larut
Dalam beberapa kasus enzim tidak mungkin dibuat menjadi enzim
immobil, tetapi harus digunakan dalam bentuk enzim terlarut. Misalnya enzim
yang digunakan dalam diterjen cair, enzim yang digunakan sebagai pereaksi
diagnostik, dan enzim sebagai aditif makanan.
Karena itu digunakan suatu prosedur stabilisasi untuk memperpanjang
daya tahan simpan enzim – enzim terlarut.
Beberapa metode stabilisasi enzim terlarut ialah sebagai berikut :
33
1. Stabilisasi substrat
Bagian molekul enzim yang aktif (active site), adalah bagian mulekul
enzim yang memegang peranan utama dalam meaksanakan aktivitas spasifiknya.
Bagian aktif ini dapat distabilkan dengan cara menambahkan bahan substrat.
Sebagai contoh, enzim amilase distabilkan dengan cara menambahkan pati dan
glukosa isomerase distabilkan terhadap kerusakan karena panas dengan cara
menambahkan glukosa. Di lain pihak juga terdapat enzim terlarut seperti piruvat
dehidrogenase yang aktivitasnya menurun jika ditambahkan substrat.
1. Stabilisasi pelarut
Enzim dapat distabilkan dengan menambahkan pelarut.
Kebanyakan pelarut pada konsentrasi tinggi menyebabkan
denaturasi enzim, tetapi pada konsentrasi rendah dapat
menstabilkan enzim
2. Stabilisasi oleh garam
Kation seperti Ca, Cu, Fe, Mn, Ma dan Zn berpengaruh terhadap
kestabilan struktur tertier enzim amilase dari bacillus caldolyticus
dan protease.
3. Stabilisasi oleh polimer
Polimer – polimer alami atau sintetik seperti gelatin, albumin, tatty
alkohol ethilene Oxide addevet, atau polietilen glikol, dapat
meningkatkan kestabilan enzim terhadap panas.
4. Stabilisasi secara kimia
Enzim terlarut dapat distabilkan secara kimia tanpa kehilangan
sifat kearutannya salah satu cara ialah pembentukan enzim dengan
rantai samping poliamino, seperti produksi enzim politirosil atau
enzim poliglisil. Cara lain adalah asilasi dengan gugus asetil,
tormil, propionil atau suksinil.
Dengan metode ini sensitivitas enzim amilase terhadap suhu dan
terhadap enzim protease, dapat diturunkan oleh bahan – bahan
aditif bifungsional dan multifungsional, enzim juga dapat
dipolimerisasi sedemikian rupa sehingga tetap dapat larut.
34
2.14.2 Stabilisasi Secara Imobilisasi
Pengikatan suatu enzim dengan enzim lainnya atau dengan bahan
pembawa harus dilakukan tanpa pengaruh struktur – struktur 3 dimensi pada
bagian aktif molekul enzim. Proses immobilisasi enzim tidak mengakibatkan
hilangnya sifat spesifik enzim terhadap substrat dan terhadap reaksi. Gugus
fungsional molekul enzim yang sesuai untuk proses imobilisasi ialah karboksi
bebas ά, β dan γ, gugus gugus amino α atau β dan gugus penil, hidroksil,
sulfhidril atau imidazol dari asam – asam amino yang sesuai. Gugus yang
diimobilisasi tidak boleh merupakan gugus – gugus yang bersifat kritis peranan
atau pengaruhnya terhadap aktivitas enzim. Seperti telah dikemukakan diatas
terdapat 3 metode pendekatan untuk proses immobilisasi enzim, yaitu :
a. Metode “ Cross – linked “ didasarkan pada pembentukan ikatan inter
molekul antara molekul – molekul enzim. Dalam metode ini tidak
digunakan matrik gugus fungsional dalam molekul enzim yang bisa
digunakan untuk pembentukan ikatan inter molekul adalah gugus α -
amino pada asam amino ujung ( terminal ), gugus β - amino dari lisin,
gugus sulfhidril dari sistein dan gugus imidazole dari histidin.
b. Pada molekul “ Carrier – bond “ enzim diikatkan pada suatu matriks
yang bersifat tidak larut dalam air. Sebagai metrik dapat digunakan
bahan organik maupun bahan nonorganik. Bila menggunakan metode
ini menurut Chibata (1978 ) hal yang perlu diperhatikan adalah
pemilihan metrik dan teknik pengikatan enzim pada metrik tersebut.
Dalam pemilihan metrik perlu diperhatikan ukuran pertikel, luas
permukaan, perbandingan gugus hidrofilik dan hidrofobik serta
komposisi kimia matrik tersebut. Teknik pengikatan enzim pada
metrik dapat dilakukan dengan berdasarkan adsorpsi fisik, gaya
elektrostatik dalam ikatan kovalen.
c. Pada metode “entrapping” imobilisasi enzim didasarkan pada
penempatan enzim didalam kisi dari suatu polimer atau didalam
membran yang bersifat semipermeabel. Bila enzim ditempatkan dalam
kisi, maka metodenya digolongkan kedalam jenis kisi, sedang bila
ditempatkan dalam membran yang bersifat semi permeabel, maka
metodenya digolongkan kedalam jenis mikrokapsul (Chibata, 1978)
35
secara skematik ketiga cara imobilisasi tsb dapat dilihat pd gambar
dibawah ini :
Gambar 2-9 Skema model imobilisasi enzim, (a) carrier bond, (b) cross linked, (c) matriks, (d) kapsul
2.15 INHIBISI ENZIM
Inhibitor enzim :
- Suatu senyawa tertentu yang dapat berikatan dengan enzim dan
menurunkan keaktifan E tersebut.
- Dapat merupakan suatu mekanisme pengendalian kerja enzim.
- Dibagi dalam dua jenis :
A). Irreversible (stabil) : logam – logam : Pb, Cd , Hg → membemtuk
kompleks E yang stabil → aktivitas E <<< → dapat dihilangkan
dengan EDTA.
B) Reversible : Inhibisi kompetitif
Inhibisi Non kompetitif
Inhibisi Inkompetitif
36
2.15.1 Inhibisi Kompetitif
- Struktur kimia senyawa inhibitor analog dengan substrat (S)
- Akan bersaing dengan S untuk memperebutkan lokasi aktif E.
Gambar 2-10 Skema inhibisi kompetitif enzim
Inhibisi ini dapat dihindari dengan menggunakan substrat berkonsentrasi
tinggi. Sehingga peluang substrat untuk dapat bertemu dengan sisi aktif lebih
besar.
2.15.2 Inhibisi Non Kompetitif
- Senyawa inhibitor tidak analog dengan substrat
- Berikatan dengan E pada lokasi yang lain dari lokasi aktif
- Mengurangi afinitas enzim terhadap substrat
Mekanismenya dapat digambarkan sebagai berikut :
37
Gambar 2-11 Mekanisme Inhibisi Non Kompetitif
Dalam hal ini, substrat tidak bersaing dengan inhibitor. Tetapi secara
keseluruhan, laju reaksi akan berkurang. Karena sebagian enzim bereaksi dengan
inhibitor.
2.15.3 Inhibisi Inkompetitif
- Hanya berikatan dengan kompleks ES
- Tidak memiliki afinitas terhadap E itu sendiri.
Gambar 2-12 Mekanisme Inhibisi Inkompetitif
Hampir mirip dengan inhibisi non kompetitif, laju reaksi akan berkurang
dengan adanya inhibitor. Karena sebagian ES akan bereaksi dengan inhibitor.
2.15.4 Inhibisi Substrat
Disebabkan konsentrasi substrat yang berlebihan (ekses).
LATIHAN SOAL
1. Sebutkan produk yang dihasilkan oleh aktivitas mikroorganisme
38
2. Jelaskan perbedaan antara metabolit primer dan metabolit sekunder
3. Jelaskan perbedaan antara kofaktor, koenzim , dan apoenzim
4. Sebutkan peranan dari kofaktor/koenzim
5. Sebutkan dan jelaskan dua mekanisme reaksi enzim
6. Enzim allosterik mempunyai cirri-ciri bagaimana?
7. Jelaskan cara pemurnian enzim:
a. Ekstraseluler
b. Intraseluler
8. Sebutkan metode yang digunakansupaya enzim bisa stabil
9. Jelaskan immobilisasi enzim dengan metode: Cross-linked, carrier bond,
kapsul enzim
10. Jelaskan tentang kinetika inhibisi enzim reversible:
- Kompetitif inhibitor
- Nonkompetitif inhibitor
- Unkompetitif inhibitor
TUGAS
Mahasiswa mencari aplikasi teknik stabilisasi enzim dengan berbagai
macam metode.
BAB 3 PRODUK - PRODUK FERMENTASI
Capaian Pembelajaran
Setelah mempelajari bab ini, pembaca mampu :
a. Menjelaskan konsep reaksi fermentasi
b. Menjelaskan proses fermentasi mulai bahan baku sampai produk dengan
biokatalisator mikroba, dengan contoh
c. Membedakan proses fermentasi dengan bakteri/khamir dan jamur
d. Menjelaskan proses fermentasi mulai bahan baku sampai produk dengan
biokatalisator enzim, dengan contoh
e. Membedakan proses fermentasi dengan mikroba dan enzim
39
Sebelum membahas bab ini, pembaca diminta mengulang kembali
pengertian fermentasi pada bab yang terdahulu. Produk-produk fermentasi dapat
terjadi dengan menggunakan mikroba atau enzim (yang dapat dihasilkan dari
mikroba, tanaman atau hewan) sebagai biokatalisatornya.
3.1 Produk Fermentasi Menggunakan Mikroba
Perhatikan contoh dan coba jawab pertanyaan / lengkapi gambar di bawah
ini :
Contoh : Produk fermentasi alkohol/bioetanol (gambar dan pernyataan lengkap)
Gambar 3-13 Akibat minum minuman beralkohol
Molasses ttebu
http://ditjenbun.deptan.go.id
http://gambar.pelapak.com/gb
http://
imgc.allpostersimag
es.com
http://cdn.bisnisukm.com
Substrat :
Molases tebu
Biokatalisator :
Mikroba
Produk
40
Komponen substrat yang berguna untuk fermentasi adalah
GLUKOSA
Khamir
Saccaromyces
cereviceae
Bioetanol (alcohol)
C6H12O6
(monosakarida)
Saccaromyces
cereviceae
C2H5OH +CO2
Jenis substrat : cair Kondisi optimum;
28-300C, pH 4,8
Jenis produk : cair
Kegunaan:
Bahan bakar nabati,
Farmasi,
Minuman beralkohol
Gambar 3-14 Skema pembuatan bioetanol dari tetes tebu
Isilah titik-titik di bawah ini mengacu pada Gambar 3.2.
Molasses ttebu
...............................
http://ditjenbun.deptan.go.id
http://gambar.pelapak.com/gb
............................. http://
aguskrisnoblog.files.wordpres
s.com
Substrat :
Molases tebu
Komponen substrat yang berguna untuk fermentasi adalah
Biokatalisator :
Mikroba
Produk
41
…………………Bakteri
Brevibacterium
lactofermentum
MSG (.................................)
..............................
(................................)
Saccaromyces
cereviceae
................................
Jenis substrat : cair Kondisi optimum
.Suhu....................,pH.....
.......
Jenis produk : padat kristal
Kegunaan
Penyedap rasa
Gambar 3-15 Skema pembuatan MSG dari tetes tebu
……………………
……...............................
........................................................................... http://
lordbroken.files.wordpress.co
m
Substrat :
Onggok tapioka
Komponen substrat yang berguna untuk fermentasi adalah
…………………
Biokatalisator :
Mikroba
Jamur
Aspergilus niger
Produk
Asam sitrat
(.................................)
..............................
(................................)
Aspergilus niger ................................
Jenis substrat : padat Kondisi optimum
.Suhu....................,pH.....
.......
Jenis produk : padat kristal
Kegunaan
Pengawet makanan
Browning enzimatik
42
SUBSTRAT ORGANIKO
PRODUK
Gambar 3-16 Skema pembuatan Asam sitrat dari onggok/ampas tapioka
Setelah pembaca mengisi skema di atas, maka dapat disimpulkan bahwa
fermentasi dengan mikroba/enzim konsepnya sama yaitu adanya reaksi :
Sel mikroba/enzim Sel mikroba/enzim
Bahan baku
Bahan Baku + Biokatalisator Produk + Biokatalisator
Gambar 3-17 Reaksi biokatalisator pada bidang bioproses
Secara umum proses pembuatan produk fermentasi digambarkan seperti di
Gambar 3.6. bawah ini.
Gambar 3-18 Proses pembuatan produk fermentasi secara umum
43
Secara umum tahapan dalam proses fermentasi adalah :
1. Sterilisasi
2. Pembibitan /pembuatan starter
3. Fermentasi dengan pengaturan pH, udara, busa,nutrisi,suhu
4. Pemurnian produk fermentasi
3.2 PRODUK FERMENTASI ALKOHOL/BIOETANOL
Bahan yang dipergunakan dalam pembuatan etanol secara fermentasi dapat
dibedakan menjadi 3 macam
1. Bahan-bahan seperti gula tebu, gula bit, molase dan cairan buah-buahan
2. Bahan pati, terdiri dari bahan-bahan seperti golongan padi-padian, kentang
dan lain-lain
3. Bahan selulosa, misalnya bahan dari kayu dan waste sulphite liquor
Gambar 3-19 Proses pembuatan etanol dari berbagai macam bahan baku
Sumber : http :// kumbara.edublogs.org
44
Dalam pembuatan etanol, biasanya tiap negara memunyai bahan baku
yang khas, tergantung pada bahan yang terdaat di daesrah sekitarnya. Di daerah
tropis seperti Indonesia dan Kuba yang dipergunakan adalah padi-padian, jagung,
gula bit, sulphite pulp. Pada umumnya pemakaian bahan baku yang merupakan
hasil samping dari industri lain seperti misalnya molases dan waste sulphit liquor
adalah lebih menguntungkan, karena harganaya yang relatif lebih murah.
A. Pemeliharaan Ragi /Khamir
Ragi yang diperlukan dalam proses fermentasi, perlu diseleksi dan
diisolasi dalam biakan murni. Untuk pembuatan starter,biasanya diambil dari ragi
media yang berumur 6 hari. Digunakan spesies Saccharomyces cerevisiae dan
juga sering digunakan yaitu Saccharomyces anamensis dan Saccharomyces
pombe.
Berdasarkan komposisi kimia, di dalam ragi terdapat zat-zat seperti air,
protein, karbohidrat, lemak dan abu. Kadar air yang terdapat didalamnya tidak
sama, tergantung pada spesies ragi yang bersangkutan dan kondisi dimana ragi
tersebut tumbuh. Berdasarkan basis kering, kadar abu berkisar antara ,3 – 8,8 %.
Bila dinyatakan dengan persamaan reaksi, proses ini dituliskan sebagai
berikut :
C6H12O6 2CH2H5OH + 2CO2 + energi
Lingkungan hidup yang diperlukan adalah suhu 28-37 ºC, suasana asam dengan
pH sekitar 4 – 5. Untuk keperluan ini,maka ditambahkan asam ke dalam bahan
baku. Dan yang biasa digunakan adalah H2SO4. Untuk mempertinggi aktivitas
ragi, biasanya ditambahkan pupuk phosphat, amonium sulfat dan urea.
Untuk memperbanyak jumlah selnya, ragi mempunyai cara berkembang
biak yang khusus. Ada 2 macam cara untuk berkembang biak yaitu :
1. Cara sporulasi ialah berkembang biak dengan pembentukan ascospora. Di
dalam selnya ragi membentuk bola-bola kecil yang jumlahnya antara 1-4
buah, bila spora tersebut sudah masak, maka akan keluardari induknya dan
tumbuh sendiri. Syarat-syarat yang diperlukan agar daat mengadakan
sporalisasi ialah adanya udara. Suhu maksimum 35 – 37 °C dan minimum 9 -
11°C, pH antara 3,5 – 4.
2. Cara budding ialah pembentukan tonjolan-tonjolan. Jika tonjolan-tonjolan
tersebut sudah besar, maka akan melepaskan diri dari induknya, untuk tubuh
45
sendiri atau melekat dengan membentuk rantai yang panjang. Syarat-syarat
yang diperlukan agar cara ini dapat berlangsung ialah tidak adanya udara
(anaerob), pH antara 4 – 5 dan suhu sekitar 32 – 34 °C
Kedua cara berkembang biak ini diperlukan dalam proses pembibitan ragi
dan fermentasi alkohol. Karena kedua cara ini memerlukan persyaratan berbeda,
maka pada pabrik alkohol biasanya kedua proses ini dipisahkan. Berkembang biak
dengan pembentukan acospora akan lebih cepat menghasilkan ragi dalam jumlah
banyak, tetapi alkohol hasil produksi cara ini lebih sedikit dibandingkan dengan
cara budding.
B. Mekanisme Fermentasi
Menurut Meyerholff-Emden, mekanisme fermentasi gula menjadi alkohol
akan melalui 14 tahap dan paling sedikit ada 15 enzim serta 3 koenzim yang
membantu proses tersebut. Secara keseluruhan, enzim-enzim dan koenzim
tersebut oleh Buchmer diberi nama Zymase. Zymase inilah berperan dalam
proses oksidasi-reduksi phosphate transfer dan lain-lain.
Dalam fermentasi, donor eletron dan aseptor elektron adalah senyawa
organik, yang biasanya keduanya dihasilkan dari satu macam zat organik selama
proses metabolisme. Bahan yang dapat difermentasikan adalah zat yang dapat
menghasilkan produk antara dalam bentuk senyawa-senyawa yang teroksidasi dan
terduksi. Adenosine diphosphat (ADP) dan adenosine triphohate (ATP), gula
mula-mula akan mengalami phosphorilasi dan membentuk senyawa terdiri dari
gula, phosphat dan hexophoshatase. Pada awal,proses ini, kecepatan fermentasi
dikontrol oleh adanya phosphate bebas. Sedangkan adanya phosphate bebas ini
tergantung sekali pada konsentrasi hexaphosphate. Untuk mengurangi
ketergantungan ini, maka perlu ditambahkan phosphate dan nitrogen dari luar,
yang keduanya diperoleh dari pupuk urea, amonium sulfat dan suer phosphate.
Dan biasanya, efek penambahan pupuk ini akan memberikan pertambahan
kecepatan fermentasi secara eksponioal. Pyruvic acid , seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 3.7. merupakan hasil antara dari proses metabolisme yang akan
mengalami dekarboksidasi dan menghasilkan CO2 dan acetaldehyde. Proses
terakhir adalah reduksi acetaldehyde menjadi alkohol dengan bantuan enzim
alkohol dehidrogenasi. Dan bersamaan proses reduksi ini, terjadi juga oksidasi
triose phosphate menjadi phosphoglycericacid.
46
Gambar 3-20 Mekanisme reaksi pembuatan alkohol
Sumber : http://1.bp.blogspot.com
Hasil observasi menunjukkan bahwa kecepatan fermentasi tergantung pada
macam gula, dan macam ragi yang dipergunakan. Tidak semua ragi dapat bekerja
dengan efisiensi yang sama pada kondisi dan macam bahan baku yang berbeda.
Ada konsentrasi gula rendah,kecepatan fermentasi dari fruktosa lebih lambat dari
glukosa pada suhu 30°C dan dengan ragi. Berhasil tidaknya suatu proses
tergantung dari dapat tidaknya mengefisiensikan variabel-variabel yang ada. Perlu
dilakukan optimasi variabel-variabel konsentrasi gula, pH larutan, suhu
penambahan pupuk dengan penggunaan strain ragi, juga kondisi anaerob serta
selama proses destilasi menentukan alkohol yang diperoleh.
C. Destilasi
Salah satu cara memisahkan komponen-komponen suatu campuran larutan
untuk medapatkan komponen yang dikehendaki dalam keadaan lebih murni ialah
dengan destilasi. Pemisahan ini berdasar pada perpindahan massa dari satu fase
yang homogen ke fase lainnya karena efek panas. Komposisi yang terbentuk
karena mendidihnya larutan biasanya berbeda dengan kondisi larutan itu sendiri.
Uap yang terbentuk daam kolom dialirkan ke kondensor, setelah dingin akan
mengkondensasi dan hasilnya terpisah dari residunya yang tertinggal dalam
kolom.
3.3 PRODUK FERMENTASI TEMPE
47
Di Indonesia tempe kedele merupakan jenis makanan hasil proses
fermentasi yang sangat digemari, karena memiliki cita rasa yang khas dan relatif
murah harganya. Disamping itu tempe sudah dikenal oleh masyarakat Indonesia
sebagai makanan yang bergizi tinggi. Proses fermentasi tempe juga telah
diterapkan dalam pengolahan berbagai jenis kacang-kacangan menjadi produk
makanan yang sangat digemari, termasuk oncom yang dibuat dari bungkil kacang
tanah.
a. Inokulum tempe
Kapang dari jenis Rhizopus merupakan mikroba terpenting dalam
fermentasi tempe. Sejumlah spesies yang ditemukan dalam tempe ialah Rhizopus
oryzae, Rhizopus oligosporus, Rhizopus stolonifer, Rhizopus arrhizus. Diantara
spesies tersebut Rhizopus oryzae, Rhizopus oligosporus memegang peran utama
dalam fermentasi tempe.
Miselium Rhizopus oryzae lebih panjang dari pada Rhizopus oligosporus,
sehingga tempe yang dihasilkan tampak lebih padat dan kompak daripada jika
hanya Rhizopus oligosporus yang digunakan dalam fermentasi tempe. Akan tetapi
jika tempe yang diproduksi lebih diutamakan nilai gizinya, Rhizopus oligosporus
memegang peran terpenting. Hal ini disebabkan karena dalam selama proses
fermentasi berlangsung Rhizopus oligosporus mensintesa lebih banyak enzim
amilase. Dalam pembuatan tempe kedua spesies ini sebaiknya dicampur dengan
proporsi Rhizous oryzae dan Rhizopus oligosporus 1 : 2.
Strain Rhizopus olisporus NRRL 2710 telah berhasil diisolasi, dianggap
merupakan strain terbaik dalam memroduksi tempe (Steinkraus, 1983). Strain ini
mempunai sifat-sifat :
Mampu tumbuh cepat pada suhu 30-40°C. Pertumbuhan misellum mulai
nampak setelah fermentasi berlangsung selama 12 jam dan selesai setelah
18 – 20 jam.
Tidak dapat memfermentasikan sukrosa
Mempunyai kativitas proteolitik yang tinggi dan akan melepaskan
amoniak bebas setelah fermentasi berlangsung selama 48 – 72 jam.
Memproduksi antioksidan
Mampu menghasilkan tempe dengan flavor dan aroma asli yang khas
48
Mampu tumbuh pada substrat pati biji-bijian tanpa memproduksi asam-
asam organik dengan tingkat konsentrasi yang dapat menyebabkan tempe
terasa asam
b. Fermentasi tempe kedele
Terdapat beberapa variasi dalam proses pembuatan tempe kedele dan
semuanya dimaksudkan untuk menghasilkan tempe dengan citra rasa yang
disukai. Tahap-tahap yang dilakukan dalam proses pembuatan tempe adalah
pembersihan biji kedele, perebusan, pengupasan, inokulasi, pembungkusan dan
fermentasi.
Selama proses fermentasi, kapang tempe akan tumbuh dengan cepat dan
suhu biasanya akan meningkat 57°C di atas suhu inkubator. Setelah fermentasi
berlangsung 72 jam, total padatan terlarut meningkat dari 0,5 persen menjadi 2,5
persen. Total nitrogen relatif konstan, pH meningkat dari 5 menjadi lebih dari 7.
Kapang tempe memiliki aktivitas lipolitik tinggi, yaitu menghidrolisa lebih
dari sepertiga kandungan lemak kedele setelah 72 jam fermentasi ada suhu 37°C.
Setelah 69 jam proses fermentasi, kandungan asam-asam lemak tempe meningkat
dan asam linoleat merupakan asam lemak yang dominan diikuti oleh asam oleat.
Karbohidrat utama yang terdapat dalam kedele ialah sukrosa, stachyosa dan
raffinosa. Selam fermentasi berlangsung heksosa akan dicerna dengan cepat,
tetapi hidrolisa stacyosa berlangsung lambat.
3.4 PEMBUATAN RAGI ROTI (bakers yeast)
Dahulu, pengebambangan dari roti dilakukan dengan cara menambahakan
sedikit adonan dari pembuatan roti sebelumnya sebagai bibit. Tetapi sering
hasilnya tidak seperti yang dikehendaki, karena fermentasi gula yang terkandung
dalam adonan mengeluarkan CO2 yang jumlahnya bervariasi, bahkan hanya
sedikit sekali CO2 yang terbentuk, apabila ragi yang ada sudah tidak aktif lagi.
Akhir-akhir ini pembuatan ragi ini dilakukan dengan jalan menggunakan
perbenihan tetes dengan aerasi. Tujuan dari aerasi ini ialah untuk mengalihkan
aktivitas metabolisme ragi itu pada perbanyakan selnya, bukan produksi
alkohol. Strain-strain khusus dari Saccharomyces cerevisiae digunakan dalam
fermentor ini,memenuhi persyaratan :
Karakteristik fisiologinya stabil
49
Fermentasi daripada gula dalam adonan sangat aktif
Mudah didespersi dalam air
Tahan penyimpanan tanpa otolisa
Cepat pertumbuhan dan erkembangannya dalam fermentor
Apearance yang tetap selama penyimpanan
Perbenihan untuk produksi ragi umumnya terdiri dari molase dengan tambahan
berbagai garam, seperti garam amonium dan pospat.Ada juga yang menambahkan
air rendaman jagung sebagai persenyawaan nitrogen. Kadang-kadang diperlukan
juga tambahan apa yang disebut “biosfaktor” yang terdiri dari biotin, asam
panthothenat dan inositol untuk pembuatannya.
Untuk pembuatan perbenihan, molase dicampur dengan air rendaman
jagung (kalau ditambahkan), dan pHnya diatur antara 4,5 – 5. Setelah pemanasan
dan difiltrasi, diencerkan sampai kadar gulanya mencapai 0,5 – 1,5 %. Pengolahan
ini menurunkan kemungkinan terjadinya kontaminasi oleh mikroba lain. Kadar
gula yang rendah pada permulaan proses dimaksudkan untuk terbentuknya sel ragi
dan bukan alkoholnya dan selama fermentasi kadar gula ini diatur supaya tetap
kadarnya tetap dengan jalan penambahan molase sewaktu-waktu. Suhu fermentasi
adalah 30°C.
Pengaliran udara diatur sedemikian rupa secara bertahap, dan setelah
fermentasi berjalan aktif aerasi diperbesar. Untuk aerasi ini diperlukan udara yang
sangat banyak, sehingga biaya untuk pelaksanaannya diliputi 20-30 % dari biaya
keseluruhan proses produksi ragi. Pada akhir periode fermentasi (8 -12 jam)
kecepatan aerasi diperkecil. Dan penambahan gula dan ammonia dihentikan.
Untuk selama satu jam ferentasi dibiarkan berjalan, agar sel-selnya menjadi
dewasa dan baru dilakukan pemisahan.
Sebelum pemisahan, cairan perbenihan didinginkan dan disentrifuge. Sel-
sel ragi dicuci dan dicentrifuge lagi beberapa kali agar bebas dari kotoran-kotoran
perbenihan dan menghasilkan warnanya. Untuk menghilangkan sebanyak
mungkin airnya, maka ragi difiltrasi melalui filter press dan setelah dicampur
dengan “plasticizer” (minyak tumbuhan dalam jumlah kecil) dibuat dalam bentuk
kubus melalui “extruder”, dibungkus dan disimpan dalam tempat yang dingin.
3.5 PRODUKSI ENZIM DAN PEMANFAATANNYA
Enzim dapat digunakan pada berbagai proses produksi, seperti table 3.1 di
bawah ini
50
Tabel 3-3 Enzim dan aplikasi pemakaiannya
Enzim Sumber AplikasiAmylase Bacillus subtilis Aspergillus
oryzae Penicillium roqueforti Aspergillus niger
tekstil, pelarutan pati, produksi glukosa
Penicillinase Bacillus subtilis Degradasi penisilinInvertase Aspergillus oryzae
Saccharomyces cerevisiaeIndustri permen
Selulase Aspergillus niger , Tricoderma sp.
Pengurang viskositas, membantu sistem pencernaan
Pektinase Aspergillus niger Klarifikasi wine dan jus buah
Protease Clostridium sp. Pelunak, membantu sistem pencernaan
Saat ini tengah beredar suatu jenis deterjen pintar 4 enzim, dengan kriteria ramah
lingkungan, dimana air sisa rendamannya dapat digunakan sebagai pupuk dan
kerjanya sangat luar biasa melebihi yang konvensional. Menurut informasi
deterjen ini mengandung 4 enzim yaitu :
protease : untuk menghilangkan noda protein
amylase : untuk menghilangkan noda pati
lipase : untuk menghilangkan noda lemak
cellulozym(selalase) : Untuk menjaga warna dan serat tetap halus
Luar biasa, kerja enzim deterjen ini dan cukup menggunakan suhu rendah
(suhu kamar pada contoh ini). Mikroba yang sama akan menghasilkan enzim yang
berbeda,jika substrat/media yang digunakan berbeda. Dengan contoh di atas,
maka di bawah ini akan dijelaskan bagaimana memproduksi enzim.
3.6 PRODUKSI ENZIM PROTEASE
Protease diperoleh dari
1. Aspergillus oryzae yang ditumbuhkan dalam medium limbah cair tahu untuk
menghasilkan enzim protease. Medium fermentasi terdiri atas
limbah cair tahu disuplementasi dengan tepung tapioka 4 persen dan
larutan mineral 4 persen. Fermentasi dilakukan pada pH 5,0, suhu 30
51
derajat Celcius dan masa inkubasi 5 hari. Dosis inokulum yang
digunakan adalah 5-15 persen. Hasil tertinggi diperoleh dari
dosis inokulum 10 persen yaituaktivitas protease 0,32 U/ml, kadar
protein 0,14 mg/ml dan berat kering biomassa 9,07 mg. Setelah
supernatan difraksinasi dengan amonium sulfat (30-95) persen jenuh,
rata-rata kadar protein dan aktivitas enzim protease meningkat 3,3
kali dibandingkan sebelum difraksinasi yaitu kadar protein meningkat
dari 0,10 mg/ml menjadi 0,33 mg/ml dan aktivitas protease meningkat
dari 0,1855 U/ml menjadi 0,6166 U/ml.
2.Limbah ikan
Bacillus subtilis adalah salah satu bakteri penghasil antibiotik jenis
basitrasin. Basitrasin adalah antibiotika polipeptida topikal yang berasal dari
isolasi strain Tracy-I Bacillus subtilis, yang dikultur dari penderita dengan fraktur
compound yang terkontaminasi tanah. Basi ini diturunkan dari Bacillus, dan trasin
berasal dari penderita yang mengalami fraktur compound (Tracy). Basitrasin
adalah antibiotika polipeptida siklik dengan komponen multipel (A,B dan C).
Basitrasin A adalah komponen utama dari produk komersial dan yang sering
digunakan sebagai garam zinc. Kebanyakan organisme gram negatif dan jamur
resisten terhadap obat ini. Sediaan tersedia dalam bentuk salep basitrasin dan
sebagai basitrasin zinc, mengandung 400 sampai 500 unit per gram.Basitrasin
topikal efektif untuk pengobatan infeksi bakteri superfisial pada kulit seperti
impetigo, furunkolosis, dan pioderma.
3.7 AMILASE
Mikroba yang baik digunakan untuk produksi amylase dapat berupa
organisme lokal atau bukan dan dapat diisolasi sendiri. Mikroorganisme yang
digunakan untuk produksi amilase adalah: Bacillus subtilis, B. licheniformis, B.
amyloliquifaciens dan Aspergillus niger.Untuk memproduksi enzim dari jamur
digunakan medium cair agar mudah memanennya. Komposisi medium (gram per
liter):
KH2PO4 sebanyak 1,4
NH4NO3 sebanyak 10
MgSO4.7H2) sebanyak 0,5
52
FeSO4.7H2O sebanyak 0,01
Pati larut sebanyak 20
atur pH menjadi 6,5, masukkan dalam erlenmeyer 50 mL sebanyak 30 – 40 mL
medium dan sterilkan pada suhu1210 C selama 15 menit. Setelah dingin,
masukkan suspensi spora jamur sebanyak 0,5 mL.Inkubasi selama 3 hari pada
suhu kamar dalam penggojong dengan putara 200 rpm. Namun jika tidak ada
yang lakukan penggojogan secara manual secara berkala. Hasil yang diperoleh
kemudian disaring dengan kertas Whattman No 1. Filtrat yang diperoleh ini
mengandung amilase kasar yang dapat digunakan secara langsung atau
dimurnikan lagi. Mikroba yang baik digunakan untuk produksi dapat berupa
organisme lokal atau bukan dan dapat diisolasi sendiri. Mikroorganisme yang
digunakan untuk produksi amilase adalah: Bacillus subtilis, B. licheniformis, B.
amyloliquifaciens dan Aspergillus niger.
Untuk memproduksi enzim dari jamur digunakan medium cair agar mudah
memanennya. Disini kami sajikan medium yang digunakan dalam praktikum
mahasiswa, sedang untuk industri silahkan dimodifikasi sendiri.
Komposisi medium (gram per liter):
KH2PO4 sebanyak 1,4
NH4NO3 sebanyak 10
MgSO4.7H2) sebanyak 0,5
FeSO4.7H2O sebanyak 0,01
Pati larut sebanyak 20
atur pH menjadi 6,5, masukkan dalam erlenmeyer 50 mL sebanyak 30 – 40 mL
medium dan sterilkan pada suhu121 C selama 15 menit.Setelah dingin, masukkan
suspensi spora jamur sebanyak 0,5 mL. Inkubasi selama 3 hari pada suhu kamar
dalam penggojong dengan putaran 200 rpm. Namun jika tidak ada yang lakukan
penggojogan secara manual secara berkala. Hasil yang diperoleh kemudian
disaring dengan kertas Whattman No 1. Filtrat yang diperoleh ini mengandung
amilase kasar yang dapat digunakan secara langsung atau dimurnikan lagi (Nur
Hidayat, 2008)
53
3.8 LIPASE
Lipase dapat diisolasi dari salah satu bakteri termofilik yaitu Bacillus
subtilis. Produksi lipase menggunakan minyak zaitun sebagai substrat. Lipase
yang diperoleh diuji kandungan protein dan aktivitasnya, dimana sebelumnya
dilakukan liofilisasi terhadap ekstrak kasarnya. Optimasi lipase dilakukan
terhadap faktor suhu inkubasi dimana dilakukan uji aktivitas lipase pada variasi
suhu tertentu.
Lipase merupakan enzim yang mampu mengkatalisis berbagai macam
reaksi, seperti hidrolisis, esterifikasi, alkoholisis, dan aminolisis. Enzim adalah
katalis yang memiliki keunggulan sifat (aktivitas tinggi, selektivitas dan
spesifitas) sehingga dapat membantu proses-proses kimia kompleks pada kondisi
percobaan yang lunak dan lebih ramah lingkungan (Khan. Et al 2002). Media cair
digunakan untuk membuat inokulum pada Bacillus subtilis. Media cair dibuat
dengan komposisi:
Polypeptone : 5 gram
Yeast extract : 5 gram
MgSO4.7H2O : 0.2 gram
CaCl2.2H2O : 0.5 gram
MnSO4.H2O : 0.05 gram
KH2PO4 : 1 gram
Minyak zaitun : 80 ml
Aquadest : 1 Liter
Semua bahan ditimbang sesuai komposisinya, kemudian dilarutkan dalam
aquadest hingga volume 1 liter, dan dipanaskan sampai larut. Selanjutnya
disterilkan dengan autoklaf pada suhu 121 ºC selama 30 menit. Media padat yang
digunakan adalah agar nutrisi dengan takaran 40 g/L.
Media cair juga dapat dibuat dengan komposisi sebagai berikut: cairan
nutrisi 15 g/L, KH2PO4 1 g/L, MgSO4.7H2O 0,5 g/L dilarutkan dengan aquades
dalam volume 10 mL dan 100 mL serta media produksi dibuat dari media cair
yang sama namun dengan penambahan minyak zaitun 10% dan gum arab 5%
kemudian dilarutkan dengan aquades dalam volume 20 mL dan 1L. pH diatur
hingga 7 dengan penambahan NaOH dan diukur menggunakan pH-meter. Semua
bahan disterilisasi pada suhu 121oC selama 15 menit. Media yang telah dibuat
54
disimpan dalam erlenmeyer yang ditutup kapas berlemak yang sudah steril
kemudian disimpan dalam refrigerator.
3.8.1 Uji mikroskopis
Bacillus subtilis diperoleh dari Laboratorium Mikrobiologi Unair
Surabaya. Uji sterilisasi dilakukan dengan menambahkan 1 ose Bacillus subtilis
dari media padat ke dalam 10 mL media cair. Biakan diinkubasi pada suhu 45oC
selama 3 jam. Sebanyak 100 μL bakteri dari media cair ini diteteskan pada kaca
preparat dan dilihat di bawah mikroskop dengan perbesaran 100x. Selanjutnya
biakan yang tumbuh diamati morfologinya.
Gambar 3-21 Bacillus subtilis
Sumber (http://2.bp.blogspot.com)
3.8.2 Regenerasi Bacillus subtilis
Biakan murni Bacillus subtilis diremajakan pada agar miring yang telah
disterilisasi pada suhu 121oC dan tekanan 1 atm selama 15 menit, selanjutnya
biakan diinkubasi pada suhu 30oC selama 24 jam. Bacillus subtilis pada agar
miring ini menjadi stok kultur yang diregenerasi pada media agar miring yang
baru sebelum digunakan.
3.9 Produksi dan Isolasi Lipase
Produksi enzim lipase dilakukan dengan cara yaitu 2 ose biakan media padat
dimasukkan ke dalam 20 mL media produksi. Selanjutnya campuran diinkubasi
pada inkubator bergoyang selama 8 jam pada suhu 45oC. Biakan ini selanjutnya
diinokulasi kembali pada 1L media produksi dan diinkubasi pada inkubator
bergoyang selama 8 jam pada 120rpm, 45oC. Setelah itu campuran disentrifugasi
55
dan diambil supernatan sebagai ekstrak kasar lipase. Ekstrak kasar yang didapat
diukur volumenya kemudian diliofilisasi hingga mengalami pemekatan ± 10 kali.
3.9.1 Uji Aktivitas Lipase
a. Pembuatan Kurva Standar Asam Oleat
Kurva standar asam oleat dibuat dengan beberapa variasi konsentrasi asam oleat.
Konsentrasi yang dibutuhkan adalah antara 3,5; 7; 10,5; 14 dan 17,5 (x 10-4 M).
Variasi konsentrasi larutan tersebut dibuat dengan menggunakan larutan standar
asam oleat 0,007 M, larutan tersebut diambil sebanyak 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 mL lalu
diencerkan dengan heksana sampai 10 mL. Selanjutnya campuran diambil 4 mL
dan ditambahkan reagen tembaga (II) asetat sebanyak 1 mL lalu diaduk 1 menit
Pengukuran absorbansi dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer pada
panjang gelombang 715 nm.
b. Penentuan Aktivitas Lipase
Penentuan aktivitas lipase dilakukan dengan menggunakan metode Kwon dan
Rhee (Kwon, 1986). Substrat yang digunakan dalam metode ini adalah minyak
zaitun. Minyak zaitun sebanyak 1,5 mL, ditambahkan dengan 1 mL buffer fosfat
pH 7 dan 1 mL larutan enzim. Campuran ini selanjutnya diinkubasi pada
inkubator bergoyang 120 rpm selama 30 menit. Selanjutnya campuran
ditambahkan larutan 1 mL HCl 6N dan 5 mL heksana. Campuran selanjutnya
dikocok kuat dan lapisan atas diambil sebanyak 4 mL, kemudian ditambahkan 1
mL reagen tembaga (II) asetat dan diaduk 1 menit. Campuran diukur dengan
spektrofotometer pada panjang gelombang 715 nm.
Aktivitas lipase diukur pada suhu inkubasi yang bervariasi yaitu 30o-50oC.
Contoh pemakaian lipase sebagai biokatalis, diantaranya pada pembuatan
biodiesel(metil ester) dari minyak sawit (trigliserida) dengan reaksi sebagai
berikut :
56
Gambar 3-22 Reaksi interesterifikasi minyak nabati melalui rute reaksi non alkohol menjadi biodiesel
dengan biokatalis lipase ( Hermansyah, 2009 )
3.10 SELULASE
Untuk memproduksi enzim selulase menggunakan Aspergillus niger
dengan substrat jerami melalui proses sistem fermentasi padat dilakukan beberapa
tahapan sebagai berikut:
1. Penyiapan bahan baku
Bahan baku berupa jerami dan dicacah agar didapat ukuran yang
homogen.
2. Pembenihan inokulasi
Pembenihan inokulasi dilakukan pada PDA secara zig-zag dengan
menggunakan kawat inokulasi di dalam cawan petri secara aseptik. Mikroba
diinkubasi pada suhu ± 30°C selama 120 jam. Pada gambar 3-11 di bawah
nampak jamur Aspergillus niger yang ditumbuhkan di cawan petri.
Gambar 3-23 Aspergillus niger
Sumber =http://enfo.agt.bme.hu/drupal/sites/default/files/Aspergillus_niger.jpg&imgrefurl
3. Penyiapan inokulum
Penyiapan inokulum dilakukan dalam media cair yang ditutup dengan
kapas kemudian diinkubasi pada suhu ± 30°C selama 24 jam di ruang aseptik.
Komposisinya :
Urea : 30 mg
MgSO4.7H2O : 5 mg
KH2PO4 : 2,3 mg
Suhu fermentasi : ±30°C
pH fermentasi : 5
57
3.10.1 Produksi enzim selulase
Produksi enzim ini dimulai dengan mencampur jerami dengan nutrient
yang ada dalam media padat. pH fermentasi diatur lalu media disterilkan di dalam
autoclave kemudian didinginkan. Suspensi spora ditambahkan dan disebar merata
pada media tersebut. Kemudian diinkubasi pada suhu 30oC dengan waktu
fermentasi yang sesuai .
3.10.2 Pengambilan enzim
Proses pengambilan enzim dimulai dengan mengekstrak hasil fermentasi
dengan aquadest sehingga diperoleh filtrat dan padatan. Kemudian filtrat dan
padatan dipisahkan dengan menggunakan centrifuge. Filtrat yang diperoleh siap
diuji aktivitas enzimnya.
3.10.3 Analisa hasil
Analisa pertama yang dilakukan adalah analisa protein dengan metode
Lowry, untuk menunjukkan kadar enzim dalam sampel. Untuk mengetahui
aktivitas enzim yang dihasilkan digunakan kapas 1% yang ditambah dengan
ekstrak enzim, kemudian kadar glukosa dianalisa dengan metode DNS (3,5-
dinitrosalicylic acid).
SOAL
Dengan menjawab pertanyaan ini, maka pembaca akan dapat mengevaluasi
capaian pembelajaran.
1. Tuliskan reaksi fermentasi secara umum
2. Jelaskan proses pembuatan bioetanol dari limbah kayu.
3. Berikan produk bioproses dengan biokatalisator mikroba dan enzim
selain contoh di atas.
4. Untuk soal no 4. Tulis reaksi kimia yang terjadi pada masing-masing
proses
TUGAS PRESENTASI LISAN(KELOMPOK)
58
Dengan melakukan presentasi ini, maka pembaca akan dapat mengevaluasi
capaian pembelajaran dan meningkatkan soft skill (kemampuan
leadership,manajerial,keberanian,etika serta kemampuan berkomunikasi)
Presentasi dengan topik : Produk-produk fermentasi unggulan (judul dapat
dikonsultasikan dengan pengajar)
BAB 4 BIOREAKTOR
CAPAIAN PEMBELAJARAN
Mahasiswa dapat memahami jenis-jenis kultur produksi dalam bioreactor
Mahasiswa dapat memahami fungsi bioreaktor
Mahasiswa dapat memahami cara kerja bioreactor
4.1 PENDAHULUAN
Bioreaktor adalah sarana untuk melangsungkan reaksi biokimia
(FERMENTASI) yang dikelola baik oleh agensia biologis (mikroorganisme
maupun enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme). Proses reaksi yang
berlangsung bisa secara aerobic maupun anaerobic. Sementara itu kultur agensia
biologis (mikroorganisme maupun enzim) bisa berupa kultur suspensi maupun
terimobilisasi. Contoh bioreactor yang menggunakan kultur terimobilisasi adalah
bioreaktor membrane atau bioreactor unggun.
Dalam proses fermentasi, pemilihan jenis reactor dan strategi operasi
merupakan factor penting untuk keberhasilan proses fermentasi. Dalam
prakteknya, sebuah proses fermentasi dikatakan berhasil bila :
- konsentrasi produk tinggi
- jumlah dan jenis impurities sedikit
- konversi substrat tinggi
59
- yield tinggi
- performa proses yang handal dan tangguh
Berbeda dengan proses kimia biasa, 50% biaya produksi merupakan
biaya untuk reactor. Sehingga pemilihan jenis reactor dalam proses fermentasi
harus mempertimbangkan jenis biokatalis, dan proses pemisahan produk.
4.2 PERANCANGAN BIOREAKTOR
Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaan teknik yang cukup
kompleks. Pada keadaan optimum, agensia biologis dapat melakukan aktivitasnya
dengan sangat baik. Pada gambar di bawah dapat dilihat bagian-bagian dari
reactor secara umum.
60
Gambar 4-24 Skema Bioreaktor
Keadaan lingkungan yang mempengaruhi kinerja agensia biologis
terutama adalah temperatur dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan
mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan
mineral lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya
berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar
cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini
harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.
Untuk bioreaktor skala laboratorium yang berukuran 1,5-2,5 L umumnya
terbuat dari bahan kaca atau borosilikat, namun untuk skala industri, umumnya
digunakan bahan baja tahan karat (stainless steel) yang tahan karat. Hal ini
dimaksudkan untuk mengurangi kontaminasi senyawa metal pada saat fermentasi
terjadi di dalamnya. Bioreaktor yang umum digunakan terbuat dari bahan baja 316
yang mengandung 18% kromium, 2-2,5% molibdenum, dan 10% nikel. Bahan
yang dipilih harus bersifat non-toksik dan tahan terhadap sterilisasi berulang-
ulang menggunakan uap tekanan tinggi. Untuk mencegah kontaminasi, bagian
atas biorektor dapat ditambahkan dengan segel aseptis (aseptic seal) yang terbuat
dari campuran metal-kaca atau metal-metal, seperti O-ring dan gasket. Untuk
meratakan media di dalam bioreaktor digunakan alat pengaduk yang disebut
agitator atau impeler. Sementara itu, untuk asupan udara dari luar ke dalam sistem
biorektor digunakan sistem aerasi yang berupa sparger. Untuk bioreaktor aerob,
biasanya digunakan kombinasi sparger-agitator sehingga pertumbuhan
mikrooganisme dapat berlangsung dengan baik.
Pada bagian dalam bioreaktor, dipasang suatu sekat yang disebut baffle
untuk mecegah vorteks dan meningkatkan efisiensi aerasi. Baffle ini merupakan
metal dengan ukuran 1/10 diameter bioreaktor dan menempel secara radial di
dindingnya. Bagian lain yang harus dimiliki oleh suatu bioreaktor adalah
kondensor untuk mengeluarkan hasil kondensasi saat terjadi sterilisasi dan filter
(0,2 μm) untuk menyaring udara yang masuk dan keluar tangki. Untuk proses
inokulasi kultur, pengambilan sampel, dan pemanenan, diperlukan adanya saluran
khusus dan pengambilannya harus dilakukan dengan hati-hati dan aseptis agar
tidak terjadi kontaminasi. Untuk menjaga kondisi dalam bioreaktor agar tetap
terkontrol, digunakan sensor pH, suhu, anti-buih, dan oksigen terlarut (DO).
61
Apabila kondisi di dalam sel mengalami perubahan, sensor akan memperingatkan
dan harus dilakukan perlakuan tertentu untuk mempertahankan kondisi di dalam
bioreaktor. Misalkan terjadi perubahan pH maka harus ditambahkan larutan asam
atau basa untuk menjaga kestabilan pH. Penambahan zat ini dapat dilakukan
secara manual namun juga dapat dilakukan secara otomatis menggunakan bantuan
pompa peristaltik. Selain asam dan basa, pompa peristaltik juga membantu
penambahan anti-buih dan substrat ke dalam bioreaktor.
4.3 APLIKASI BIOREAKTOR
Awalnya bioreaktor hanya digunakan untuk memproduksi ragi, ekstrak
khamir, cuka, dan alkohol. Namun, alat ini telah digunakan secara luas untuk
menghasilkan berbagai macam produk dari makhluk hidup seperti antibiotik,
berbagai jenis enzim, protein sel tunggal, asam amino, dan senyawa metabolit
sekunder lainnya. Selain itu, suatu senyawa juga dapat dimodifikasi dengan
bantuan mikroorganisme sehingga menghasilkan senyawa hasil transformasi yang
berguna bagi manusia. Pengolahan limbah buangan industri ataupun rumah tangga
pun sudah dapat menggunakan bioreaktor untuk memperoleh hasil buangan yang
lebih ramah lingkungan.
4.4 KULTUR PRODUKSI
Seperti halnya proses kimia biasa, dalam proses fermentasi dikenal juga
istilah curah (batch) maupun sinambung (continuous). Kedua hal ini berkaitan
dengan proses masuknya aliran substrat maupun kultur ke dalam system
bioreactor. Secara teoritis, kultur sinambung lebih menguntungkan karena
produktivitasnya lebih tinggi. Tetapi dalam skala komersial justru proses curah
lebih banyak dipilih. Beberapa hal yang menjadi penyebabnya adalah
1. Dalam industri fermentasi, tidak semua produk merupakan produk primer
(growth associated product). Sehingga penggunaan kultur sinambung
kurang menguntungkan dibanding kultur curah. Karena kultur sinambung
tidak efektif bila dipakai untuk produk metabolit sekunder (non growth
associated product) yang dihasilkan di fase stasioner pertumbuhannya.
2. Dalam kultur sinambung, kemungkinan besar sel mikroorganisme akan
mengalami ketidak stabilan genetis. Kebanyakan proses bio di industri
menggunakan sel yang sudah direkayasa secara genetik dan merupakan sel
62
unggul. Sel ini mampu mengkonversi substrat lebih baik dibanding sel
induk. Tetapi kelemahannya adalah pertumbuhannya lebih lambat
dibanding sel induk. Pada suatu saat dalam proses sinambung ini, sel
mutan sering kali bermutasi balik menjadi sel induknya. Pada akhirnya, sel
mutan yang lebih lambat tumbuhnya akan didominasi oleh sel induk hasil
mutasi balik yang kinerjanya kurang baik.
3. Sulit untuk menjaga kesterilan proses dalam kultur sinambung. Sistem
pengendali proses bisa mengalami kegagalan. Pompa bisa rusak, dan
banyak hal lain yang menyulitkan untuk kelangsungan kultur sinambung.
4. Tidak terlalu banyak proses bio yang membutuhkan hasil dalam jumlah
besar dan seragam. Sehingga akhirnya proses produksi lebih banyak
memilih menggunakan kultur curah yang skala produksinya lebih kecil.
4.4.1 Kemostat
Kemostat (Chemostat, asal katanya dari Chem ical environment is stat ic)
yang artinya kondisi kimia yang tetap. Gambar 4-2 menunjukkan skema kemostat.
63
Kebanyakan proses bio merupakan kultur curah. Kultur sinambung digunakan dalam produksi PST (Protein Sel Tunggal). Bentuk modifikasi dari kultur sinambung dipakai dalam pengolahan limbah, serta produksi asam laktat.
(Schuler, Kargi, 2002)
Gambar 4-25 Skema kemostat
Sesuai dengan skema di atas, terdapat aliran umpan dan aliran efluen yang
secara terus menerus selalu masuk ataupun keluar. Aliran umpan berupa media
segar sedangkan aliran efluen berupa kultur yang keluar secara terus menerus
untuk menjaga volume kemostat agar selalu tetap. Konsentrasi efluen sama
dengan konsentrasi kultur dalam kemostat.
4.4.2 Kemostat Dengan Resirkulasi
Bentuk lain dari kemostat adalah kemostat dengan resirkulasi seperti
terlihat dalam gambar berikut.
Gambar 4-26 Kemostat dengan resirkulasi
64
Seoerti terlihat di gambar 4-3, aliran recycle berupa sejumlah biomassa
dalam media yang dikembalikan ke dalam bioreactor dan bercampur dengan
aliran media segar, menjadi aliran “t”. Jadi di setiap saat, akan ada aliran masuk
dan secara bersamaan ada aliran keluar yang sebagian di sirkulasikan kembali.
4.4.3 Kemostat Yang Disusun Seri
Selain kemostat yang meresirkulasi sebagian sel, terdapat jenis lain yaitu
kemostat yang disusun seri. Susunan serupa ini terbagi menjadi dua tipe, yaitu
3. media segar hanya masuk ke kemostat pertama, atau
4. ke dalam kemostat ke dua ditambahkan juga media segar.
Gambar 4-27 Kemostat disusun seri
Seperti terlihat di gambar 4-4, untuk tipe yang pertama, keluaran dari
kemostat pertama masuk ke kemostat ke dua sebagai umpan dan produk (efluen)
keluar dari kemostat ke dua.
65
F, S0
V1, X1, S 1
F’, S’0
F, S1, X1 V2,
X2, S 2
F2, S2, X2
4.4.4 Kultur Fed Batch
Kultut fed batch adalah jenis kultur curah yang bertujuan untuk mensuplai
nutrisi pada kultur yang harus tumbuh pada suplai nutrisi terbatas. Seperti telah
diketahui, pertumbuhan mikroba dan pembentukan produk bisa berjalan seiring
ataupun tidak. Pembentukan produk karena sebagian substrat diubah oleh
mikroorganisme melalui metabolismenya. Pada beberapa keadaan, keberadaan
substrat yang berlebih akan menjadi racun bagi mikroorganisme. Atau pada
keadaan lain, jenis substrat tertentu akan meningkatkan pembentukan suatu
produk yang tertentu pula.
Kultur fed batch sering kali dipakai pada kultur yang berada pada fasa
stasionernya. Seperti diketahui, pada fasa stasioner, produk sel adalah produk
metabolit sekunder. Produk ini dihasilkan pada kondisi suplai nutrisi yang
terbatas. Pada fasa stasioner pertumbuhannya, substrat tersedia dalam jumlah
minimal. Substrat tersebut hanya cukup untuk sel dapat mempertahankan
hidupnya dan memproduksi metabolit sekundernya. Hal ini yang diadopsi dalam
bentuk kultur fed batch untuk memproduksi metabolit sekunder.
Berikut adalah skema bioreactor kultur fed batch.
Gambar 4-28 Kultur fed batch
Seperti terlihat di gambar 4-5, umpan yang masuk berupa media segar
yang pekat agar tidak terjadi efek pengenceran. Penambahan media segar ini
berlangsung terus pada laju alir tertentu hingga dicapai volume produksi yang
66
diinginkan. Setelah tercapai volume tersebut, maka proses dihentikan dan produk
dipanen. Model di atas adalah model “volume tetap”. Selain model volume tetap,
ada kultur fed batch yang volumenya bervariasi. Skemanya mirip dengan
kemostat. Tetapi pengeluaran efluen dilakukan saat dicapai kondisi yang
diinginkan dan pada saat itu umpan tidak lagi dialirkan masuk. Setelah produk
dikeluarkan, maka umpan di alirkan lagi dan setelah didapat kondisi yang
diinginkan, produk dipanen begitu seterusnya.
Aplikasi kultur fed batch di industri antara lain adalah produksi etanol,
asam laktat, serta asam asetat, antibiotik.
4.4.5 Kultur Batch
Kultur batch merupakan kultur klasik dalam fermentasi. Seluruh media
dimasukkan ke dalam fermentor kemudian diinokulasi dan proses fermentasi
dilangsungkan dalam jangka waktu tertentu. Setelah waktu tersebut dicapai maka
produk di panen. Pada saat panen, semua isi fermentor dikeluarkan dan
selanjutnya fermentor dibersihkan untuk dapat dipakai lagi dalam batch
selanjutnya. Berikut adalah skema siklus proses dalam kultur batch.
Gambar 4-29 Siklus dalam kultur batch
Dalam persiapan batch selanjutnya, dilakukan sterilisasi fermentor, dan
dilanjutkan dengan pengisian media dan inokulasi kembali.
67
Fase Lag
Fase Eksponensial
Pemanenan
Persiapan batch selanjutnya
4.5 JENIS-JENIS BIOREAKTOR
4.5.1 Skala Laboratorium
Bioreaktor skala laboratorium bekerja dalam volume 5 sampai 10 liter.
Kelengkapan yang ada sudah standart meskipun berukuran lebih kecil. Untuk
mensterilkan bioreactor ini bisa dengan memasukkannya dalam autoclave ataupun
dimasukkan steam langsung ke dalamnya. Gambar berikut adalah bioreactor skala
laboratorium.
Gambar 4-30 Bioreaktor skala laboratorium
Kegunaan bioreactor skala laboratorium ini adalah untuk penelitian. Kultur
yang dipakai adalah kultur terendam dengan mikroorganisme yang dipakai selain
jamur.
4.5.2 Bioreaktor Industri
Bioreaktor industri sama dengan skala laboratorium, hanya volumenya
lebih besar. Sedangkan pengendali yang ada harus standart dan sensitif. Gambar
di bawah adalah salah satu contoh bioreaktor industri yang ada.
68
Gambar 4-31 Bioreaktor industri
Terlihat dalam gambar di atas, ukuran bioreactor yang besar. Bahan yang
dipakai untuk konstruksi bioreactor harus khusus dan memenuhi syarat-syarat
penting. Seperti tahan asam, basa, dapat di sterilisasi dengan steam ± 1,2 bar.
4.5.3 Bioreaktor Membran
MBR (Membrane BioReactor) adalah gabungan antara proses di bioreactor
dan penyaringan menggunakan membran. Biasanya dipakai dalam proses
pengolahan limbah. Gambarnya seperti di bawah ini.
Gambar 4-32 Skema MBR (Membrane BioReactor)
Di dalam bioreaktor berlangsung reaksi biologis untuk menguraikan
komponen limbah, sedangkan di dalam membran berlangsung pemisahan antara
padatan dan cairan yang terbentuk dalam bioreactor.
69
4.5.4 Landfill
Bentuk lain dari bioreactor adalah landfill yang berukuran besar.
Kegunaannya adalah dalam pengelolaan sampah padat kota yang ditumpuk.
Sebelumnya sampah padat organik dipisahkan dari sampah anorganik. Karena
penumpukan berlangsung dalam waktu relatif lama, maka perlu pengelolaan
supaya perubahan biokimia yang terjadi bisa dike. Karena ukuran yang terlalu
besar, maka tidak ada perlengkapan pengendalian yang canggih. Landfill pada
dasarnya merupakan bioreaktor anaerobik yang menghasilkan gas metana. Untuk
lebih mengoptimalkan pendegradasian sampah, maka dikembangkan proses
gabungan aerobic dan anaerobic. Pada proses aerobic, sampah organic diubah
menjadi asam organic dalam kondisi aerobic. Selanjutnya dengan kondisi
anaerobic diubah menjadi gas metana. Gambaran prosesnya ditampilkan dalam
skema seperti di bawah ini
Gambar 4-33 Skema Landfill
Seperti terlihat di gambar 4-10, terdapat pipa-pipa untuk menyalurkan gas
metana yang terbentuk selama proses landfill. Gas metana tersebut dapat dipakai
sebagai bahan bakar di pembangkit listrik.
70
DAFTAR PUSTAKA
1. Atkinson, B and Mavituna, F. Biochemical Engineering and Biotechnology
Handbook. The Native Pres. London. 1985
2. A, Rahman. Teknologi Fermentasi. Jakarta : Aecan, 1992.
3. Chibata, I.. Immobilized Enzimes Research and Development. Wiley, New
York. 1978
4. D, Mangunwidjaja. Teknologi Bioproses. s.l. : Penebar Swadaya, 1994.
5. D, Prof.Dr. Dwijo Seputra. Dasar-dasar Mikrobiologi. 2009.
6. E. Gumbira Sa'id. Bioindustri, Penerapan Teknologi Fermentasi. PT. Mediyatama Sarana Perkasa, Jakarta,1987
7. Fardiaz,S. Mikrobiologi Pangan I, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta,
1992
8. Higgins, J. Biotechnology Principle and Aplications. Blackwell Scientific Pub.
London, 1985
9. Jurnal Teknologi dan Industri Pangan. Hidayat, Nur. No 2, 2008, Vol. XIX.
10. Pelczar, Jr. Michael, E. CS. Dasar-dasar Mikrobiologi. Jakarta : s.n., 2005.
11. H.Peppler, G.Reed. Yeast Technology. Westport : Avi Publishing Company, 1973.
12. Schuler, Michael L., Kargi, Fikret. Bioprocess Engineering, Basic Concepts. s.l. : Prentice Hall PTR, 2002.
71