2. SATUAN PROSES PADA FERMENTASI
Perubahan-perubahan kimia yang terjadi di dalam sel
mikroba pada waktu sel tumbuh & berkembang biak
Biokimia fermentasi = aktifitas mikroba untuk
memperoleh energi yang diperlukan untuk metabolisme &
pertumbuhan.
Fisiologi sel : pempelajari perubahan-perubahan
yang terjadi di dalam sel mikroba yang berhubungan
dengan perkembangan, pertumbuhan dan daur hidup
mikroba
Reaksi kimia penting dlm mikroba adalah reaksi oksidasi &
reduksi (pelepasan & penerimaan elektron)
3. Teknologi Fermentasi = ilmu teknik terapan yang
mendasari industri fermentasi pemanfaatan terpadu
mikrobiologi, biokimia, kimia, keteknikan, rekayasa
genetika/biologi molekuler
Industri Fermentasi pemanfaatan aktifitas mikroba
untuk menghasilkan berbagai produk/jasa yang
berguna bagi kemaslahatan manusia
4. Definisi Fermentasi Mikroorganisme
Klasik : Uraian senyawa kompleks senyawa sederhana
anaerob
Mikroorganisme
Modern : Pengubahan suatu substrat Bahan lebih
berguna
Terkontrol
Fermentasi :
Segala macam proses metabolisme yg (enzim, jasad renik secara
oksidasi, reduksi, hidrolisa atau reaksi kimia lainnya)melakukan
perubahan kimia pada suatu substrat organik dengan menghasilkan
Produk Akhir.
Aplikasi metabolisme mikrobia utk mengubah bahan (Industri)baku
menjadi produk yg bernilai lebih tinggi
Misalnya:-Etanol, Asetat -Antibiotik, Enzim, Vitamin, Protein sel
tunggal dsb.
5. FERMENTASI
• Dari bahasa LATIN
ferveo = mendidih krn timbulnya gelembung-gelembung
gas CO2
• Istilah fermentum
khamir/ragi yang dipakai sebagai inokulum/
starter pada fermentasi
PENGERTIAN FERMENTASI
Perubahan kimiawi secara oksidatif oleh mikroba
dlm substrat sbg produksi hasil pemecahannya berupa
senyawa yang lebih kompleks drpd CO2
Proses terjadinya perubahan kimia pada substrat
organik oleh aktivitas enzim yang dihasilkan
6. Tujuan Fermentasi
Menghasilkan suatu produk (bahan pakan) yang
mempunyai kandungan nutrisi, tekstur, biological
availability yang lebih baik
Disamping itu juga menurunkan zat anti nutrisinya
7. Jenis Proses Fermentasi Berdasarkan Medium
Pertumbuhan Mikroba
Fermentasi Padat (solid Substrate fermentation)
Medium tdk larut, tapi cukup lembab untuk keperluan
mikroba
Fermentasi Semi Padat (Sub merged Substrate
Fermentation)
Medium tidak larut, kelembaban cukup
Fermentasi Cair ( Liquid Substrate Fermentation)
Substrat larut dan atau tidak larut.
8. SSF SMF
Mikroba Kapang Bakteri, yeast
Kadar air Kurang dari 40% 50-75%
pH Tidak stabil Stabil (ada sistem kontrol)
Suhu Terjadi akumulasi panas
penurunan aktivitas
Tidak terjadi akumulasi panas
Substrat Limbah agroindustri (ampas
tebu, dedak) / mentah
Substrat murni
Penambahan
nutrisi
Tidak ada Ada penambahan nutrisi
Pretreatment Pengecilan ukuran,
hidrolisis enzim/kimiawi,
pemanasan (pre-degradasi)
Tanpa pretreatment
9. Jenis Fermentasi Berdasarkan Produk yang
dihasilkan
Alcoholic fermentation
Lactic Acid Fermentation
1
Step 2
3
10. Jenis Fermentasi berdasarkan Proses kerja
Batch culture fermentation
Tanpa penambahan substrat selama fermentasi berlangsung
Fed culture fermentation
Beberapa nutrisi/media ditambahkan selama fermentasi
dalam interval tertentu, tidak adamedium pertumbuhan
yang dipindahkan
Semi batch culture fermentation
sebagian dari cairanf ermentasi dipindahkan setelah proses
berlangsung (70-80 %) & sel yang tertinggal dalam tangki
diendapkan/disentrifugasi untuk digunakan lagi pada batch
berikutnya
Continuous culture fermentation
nutrien/media ditambahkan terus menerus ke dalam fermenter
dan produk dipindahkan dari tangki fermenter scr terus menerus
11. Jenis Fermentasi berasarakan kondisi media
Aseptis/ steril
pembuatan alkohol dan asam sitrat
Semi aseptis/ tidak atau kurang steril
pembuatantempe, kecap, silase
13. Fase Lag
Pada fase ini titik pertumbuhan nol, karena pada saat
sel dipindah ke medium yg baru terjadi penyesuaian
dengan lingkungan baru sehingga tidak segera terjadi
pertumbuhan sel
Ciri-ciri fase lag :
Tidak ada peningkatan jumlah sel
Sel membesar ukurannya
Secara fisiologis sel aktif & mensintesa enzim
baru utk beradaptasi dg lingkungan baru
14. Fase Log
Tingkat pertumbuhan maksimal dan naik secara konstan
Tingkat pertumbuhan eksponensial dipengaruhi oleh Kondisi
lingkungan (suhu, komposisi medium) Sifat genetik dari
mikrobia
Fase Stationer / Tingkat pertumbuhan nol, ciri:
Terjadi akumulasi produk beracun, nutrien di dalam medium
telah habis
Jumlah sel yg mati = yg membelah, sehingga jumlah sel
seimbang (cryptic growth)
Jumlah sel yang hidup tetap
Walau tidak adapertumbuhan, fungsi sel tetap berjalan seperti
metabolisme maupun biosintesa.
Produksi beberapa metabolit sekunder adalah utama, terutama
pada perpindahan dari fase logaritmik ke fase stasioner
15. Fase Kematian (Death Phase)
Tingkat pertumbuhan negatif, artinya jumlah sel yang hidup menurun
Pada beberapa keadaan dapat diikuti dengan terjadinya lisis dari sel
sehingga turbiditas dan jumlah sel yg dihitung secara langsung akan
berkurang sejalan dengan pengurangan sel hidup
Ciri-ciri :
Terjadi akumulasi lanjut produk metabolit yang menghambat nutrien
penting dalam medium habis.
Jumlah sel yg hidup turun secara logaritmik.
Umumnya sel akan mati dalam bbrp hari atau bulan
16. RUANG LINGKUP PROSES
FERMENTASI
Fermentasi yang
menghasilkan Sel
(Biomas) sebagai
Produk
Contoh :
1. Yeast
2. Single Cell Protein (SCP)
Fermentasi yang
memproduksi
Enzim
Contoh :
Enzyme Glucoamilase
17.
18. 1. YEAST
Untuk menumbuhkan Yeast Substrat n-alkane,
methanol, minyak diesel, limbah industry bir, pati
molasses
Yeast yg terproduksi Candida, Hansenula,
Rhodotorula & Torulopsis
Untuk produksi Saccharomyces cerevicae gula, ex :
molasses
Untuk produksi biomas (yeast) perbandingan karbon dan
nitrogen berkisar 7:1 – 10:1
Konsentrasi karbohidrat dalam kultur batch sekitar 1-5%
19. Cont………
Pada kultur yang kontinyu dgn substrat hidrokarbon atau
alcohol dibutuhkan Conc
Untuk menjaga pH 3.5 – 4.5 digunakan ammonia
anhydrous (NH3) dengan asam phospat (H3PO4)
20. 2. Single Cell Protein (SCP)
ALGAE
dapat ditumbuhakan secara
fotosintetis / heterotroph
penumbuhan fotosintetis
melibatkan ilumniasi / sinar
matahari dan CO2
Penumbuhan heterotroph
terjadi dalam kondisi gelap
dengan sumber karbon
organic dan sumber2 energy
Pertumbuhan alga
membutuhkan sinar dengan
panjang gelombang 700 nm
BAKTERI
Dapat menggunakan sumber
karbon dan berbagai sumber
energy ( gula, pati, selulosa,
limbah petrokimia dan
hidrokarbon)
Conc substrat karbon & energy
pada kultur batch pada kisaran
1-5%
Lebih rendah untuk kultur
kontinyu
Perbandingan karobon dan
nitrogen adalah 10:1
pH yang sesuai 5-7
21.
22. a. Enzim Amylase
berasal dari jamur
Digunakan pada industry cereal
berfungsi pemecah rantai panjang karbohidrat
seperti pati maltose, glukosa, maltoriosa,
maltotetraosa,
dan maltohesaosa
α-amylase secara acak memecah ikatan α-(1-4) glycoside
dari amilosa dekstrin , molekul2 maltose atau glukosa
β-amylase mengkatalisis hidrolisa ikatan α-1,4 glycoside
tetapi hanya dari gula non reduksi untuk menghasilkan
molekul2 maltosa
ensim Glucoamylase memecah ikatan α-(1-4) dan α-(1-
6) glycoside dari amylose dan amylopectin glukosa
23. b. Enzim Pectinase
berasal dari jamur
digunakan pada coffee bean fermentation
pd pembuatan kopi
peran utama dalam pembusukan sayur
dan buah
bisa menaikan yield juice dan padatan
dari bahan tanaman
Menurunkan viskositas dari konsentrat
dan modifikasi pengenceran struktur
pectic yg membantu proses sedimentasi,
klarifikasi dan filtrasi
24. c. Enzim Lactase
berasal dari Yeast
digunakan untuk produksi konsentrat milk
dapat memecah laktosa glukosa dan
galaktosa
Memiliki tingkat kemanisan kira-kira 0.8
relative sukrosa
Laktosa digunakan pada milk sebagai
pencerna awal u/ manusia yg tdk tahan thd
milk, pembuatan keju dan yogurt, produksi
pemanis & sirup yg terhidrolisa dari bahan
whey
25. d. Enzim Protease
berasal dari Bakteri
digunakan untuk detergen laundry
banyak digunakan dalam industry susu
terutama renin, pepsin dan chimosin
Renin umumnya berfungsi sebagai
protease
Memecah ikatan peptide di
Casein
Casein berda pada susu segar atau susu
skim segar
26.
27. primary metabolite diproduksi selama fase
pertumbuhan keseluruhan
Secondary metabolite diproduksi selama fase
akhir log dan fase stationer
Produk Secondary metabolite merupakan
senyawa kimia dalam mikroorganisme yg tidak
secara langsung berhubungan dengan
pertumbuhan normal, pengembangan dan
reproduksi M.O
28. 1. Aceton / Butanol
M.o yg digunakan u/ memproduksi campuran
Aceton /butanol adalah : Clostridium Sspesies (
C. butylicum, C. butyricum, C. toanum, , C.
acetobutylicum)
menghasilkan spora viable u/ beberapa tahun
pembuatannya mengubah glukosa acetone
dan butanol melalui Acetoacetyl-CoA.
Sumber karbon selain Glukosa Sumber
karbohidrat (jagung molase)
Sumber karbon lain yg sudah digunakan wheat,
nasi, kentang dan beet molase
29. Cont……..
Butanol dapat mengakibatkan inhibisi
metabolism, shg u/ mendapatkan pati,
konsntrasi awal adalah 6-8 % (b/k jagung)
Jika molase yg digunakan, maka kadar gula adl
5.5-7.5%
pH medium dijaga pada 5.6-6.0
30. 2. Asam Amino
BB untuk produksi AA adalah molasses, cane sugar,
(NH4)2SO4 / urea dan komponen lain penting untuk
pertumbuhan
proses merupakan fermentasi “SMF” aerobic
Pada produksi L-asam glutamate, beberapa jenis
karbon ( glukosa, fruktosa, sukrossa, maltose, ribose)
dapat digunakan u/ strain Corynebacterium,
Brevibacterium, Microbacterium & Arthbacterium.
Krn Molekul Asam Glutamat mengandung 9.5%
Nitrogen, shg suplai yg cukup dari sumber nitrogen
sangat penting
contoh Ammonium chloride, Ammonium sulfat, urea
dan gas ammonia
31. 3. Antibiotik (Secondary Metabolite)
Antibiotik Sumber Mikroba
1. Amphomycin Streptomyces Canus
2. Bacitracyn Bacillus subtilis, B. licheniformis
3. Chromomycin S. Griseus
4. Penicilin – G P. Chrysogenum
5. Streptomycin S. Griseus
7. Tetranacin S. flaveolus
Antibiotik di atas untuk kepentingan klinis dan
mikroorganisme
32. Cont……
Penicilin merupakan kelompok metabolite
sekunder
Ketika sel dalam jumlah besar ditumbuhkan
pada laju yg dijaga 120-160 jam, fermentasi
penicillin dikatakan berada pada fase produksi
Streptomycin disenthesa dari glukosa dengan
pembentukan awal myo-inositol
Konsentrasi phospat, dimedium cukup kritis u/
produksi streptomycin, dengan konsentrasi
optimum phospat berkisar 1-10 µM
33. 4. Ethanol
M.O yg diisolasi dari upaya pembuatan synthetic gas,
ditemukan di limbah peternakan ayam produksi
etanol
strain yg ditemukan ditumbuhkan dan dapat digunakan
u/ produksi etanol.
6CO + 3H2O CH3CH2OH + 4CO2
6H2 + 2CO2 CH3CH2OH + 3H2O
yield hasil reaksi sekitar 25 g/l EtOH, yg dapat diperoleh
sebagai anhydrous ethanol dengan distilasi & adsorpsi
34. Reaksi karbonmonoksida lebih produktif untuk produksi
EtOH
Selama produksi EtOH, Asam Asetat juga dihasilkan
dengan Yield 5 g/l.
4CO + 2H2O CH3COOH +2CO2
2H2 + 4CO2 CH3COOH + 2H2O
35.
36. M.O yg relevan u/ mentransformasi steroid misalnya alkaligenes
faecalis dengan substrat asam sitrat
S. aureus dengan substrat progesterone
Setelah M.O ditumbuhkan, sejumlah steroid dalam solven yg sesuai
(EtOH, Aceton, propylene glycol)
periode transformasi 24-48 jam
Setelah transformasi, biomas dipisahkan dari cairan fermentasi &
diekstraksi dgn menggunakan pelarut yg sesuai (methylene chloride,
ethylene chloride / chloroform)
beberapa jenis transformasi adlh L-tartaric acid dr asam nukleat, L-
maleic acid dr asam furmarat, isomerisasi dr Glukosa fruktosa
Steroid
37. Fermentasi reaksi dengan menggunakan biokatalis
untuk mengubah bahan baku menjadi produk
Biokatalis bakteri, yeast, jamur (fungi)
Proses dilakukan dalam bejana (bioreactor) / fermentor
Umpan yg masuk ke dalam fermentor substrat
Substrat sumber karbon memberikan energy dan
pertumbuhan & produksi produk akhir
M.O juga membutuhkan nutrient ( sulfur, phosphor,
potassium, magnesium, Nitrogen & mineral lainnya)
SISTEM FERMENTASI
38. Nutrient + Sumber Karbon + Oksigen produk + produk samping
+ panas
Mikroorganisme
Sumber Karbon Yg Umum : Glukosa, Molase, bahkan etanol
Produk samping yg umum : biomas, karbondioksida,
hidrokarbon (etanol)
Persamaan Untuk Proses
Fermentasi
39. Industri yang memanfaatkan kemampuan
mikroorganisme dalam menghasilkan produk.
Perkembangannya sejalan dengan perkembangan
mikrobiologi industri.
Industri Pangan
Jenis Industri Industri Biokimia
Industri farmasi
Industri Fermentasi
40. Periode sebelum 1900
Produk utama: alkohol dan vinegar
Tanki fermentor dari kayu, tembaga
Pengendalian proses: thermometer, hidrometer,
heat exchanger
Proses: batch dengan kultur murni
Pelaksanaan: tanpa melalui pilot plant
tanpa pengendalian kualitas produk
Perkembangan Industri Fermentasi
41. Periode 1900 – 1940
Produk utama : baker’s yeast, gliserol, asam sitrat,
asam laktat, aseton-butanol
Tanki fermentor : dari baja dilengkapi alat aerasi dan
pengaduk mekanis
Pengendali proses : dilakukan kontrol suhu, pH
dengan pH elektroda
Proses : secara batch dan fed batch dengan
menggunakan kultur murni
Pelaksanaan: tanpa pilot plant dan pengendalian
kualitas produk
42. Periode 1940 – sekarang
Produk utama: penisilin, strepomisin dan antibiotik
lain, giberelin, asam amino, nukleoida, enzim
Tanki fermentor: dilengkapi dengan fasilitas aerasi
mekanis dan dioperasikan secara aseptis
Pengendalian proses: dengan pH dan oksigen
elektrode yang diatur secara computerized
Kultur yang digunakan kultur yang dimutasi dan
terseleksi
Pelaksanaan: mulai dilakukan pilot plant dan
pengendalian kualitas produk
43. Periode 1960 – sekarang
Produk utama : SCP dengan sumber hidrokarbon
Tanki fermentor: dilengkapi pengatur tekanan tinggi, alat
pemasukan gas, pengatur panas yang dikonol komputer
sepenuhnya
Proses : dilakukan secara continue dengan kultur hasil rekayasa
genetik
Pelaksanaan: fasilitas pilot plant dan pengendalian kualitas produk
selalu dilakukan
Periode 1979 – sekarang
Produk utama: senyawa asing yang secara normal tidak diproduksi
mikrobia mis. Insulin interferon
Tanki fermentor: hasil pengembangan generasi sebelumnya
Proses: batch, fed batch atau ontinue dengan kultur hasil
pemindahan gen asing de dalam sel mikrobia secara rekayasa
enetik
Pelaksanaan : fasilitas pilot plant dan pengendalian kualitas produk
selalu dilakukan
44. Membuat produk yang tidak dapat, sulit atau tidak
ekonomis diperoleh melalui proses kimia
(enzim reaksi spesifik)
Kondisi proses lebih “lunak” (suhu ruang, tekanan
atmosfir, pH netral)
Efektif biasanya laju reaksi enzimatis > reaksi kimia
Bahan baku dapat diperbarui produk bersifat lebih
ramah terhadap lingkungan
Dapat mengubah bahan yang murah menjadi produk
yang bernilai ekonomi tinggi
Contoh : pangan aroma, tekstur, daya cerna & daya
tahan simpan lebih baik
Kelebihan Proses Fermentasi
45. Campuran produk kompleks (camp. sel mikroba, produk,
hasil samping, sisa media) proses hilir sulit
Cairan fermentasi bersifat encer & produk sedikit proses
hilir mahal
Resiko kontaminasi selama fermentasi
Hasil beragam sel mikroba cenderung melakukan
mutasi terhadap perubahan lingkungan, sehingga
kehilangan kemampuan berproduksi dapat
hilang/menurun
Kelemahan Proses Fermentasi
46.
47. Formulasi medium yg akan digunakan untuk
menumbuhkan mikroorganisme, baik pada Enrichment
(pengkayaan) maupun pada Proses Produksi
Sterilisasi Medium, Fermentor dan Perlengkapannya
Produksi kultur murni/campuran yg cukup utk
menginokulasi pd tahap produksi
Optimasi produksi pd tahap Fermentasi produk dg kondisi
Optimum
Ekstraksi (Pemanenan hasil) dan Purifikasi/pemurnian
produk
Pembuangan effluen (limbah medium) yg dihasilkan
selama produksi
Tahapan Proses Fermentasi