Teknologi
Teknologi
Fermentasi
Fermentasi
dan
dan
Peningkatan
Peningkatan
Kualitas
Kualitas
Pakan
Pakan
Retno
Retno I I PujaningsihPujaningsih
Laboratorium Teknologi Makanan Ternak Fakultas Peternakan UNDIP
BIOTEKNOLOGI
BIOTEKNOLOGI
Penggunaan mahluk hidup
atau bagian-bagiannya untuk
menghasilkan barang atau
jasa secara industri
Mikrobiologi
Biokimia Biologi Molekular
Biologi Sel
Genetika Molekular Rekayasa Proses
Bioteknologi
Diagnosa Kesehatan
Industri Farmasi
Industri Fermentasi
Industri Pangan dan Pakan
Industri Kimia
• FERMENTASI mrpk bentuk TERTUA dari BIOTEKNOLOGI • Minuman beralkohol (bir, anggur, tuak)
• Makanan terfermentasi (keju, yoghurt, tape, tempe, petis,
terasi)
• Orang Somaria dan Babilon kuno sdh minum bir sejak
6000 th sebelum masehi
• Orang Mesir sdh membuat adonan Kue Asam sejak th
4000 sebelum masehi
• Sedangkan di Eropa, minuman anggur sudah dikenal
jauh dimasa lalu dg proses fermentasi
Perkembangan Bioteknologi
• Kesadaran bhw terjadinya berbagai proses tsb diakibatkan oleh adanya mikroorganisme hidup (ragi/khamir) belum dijabarkan hingga abad 17 oleh Antony van Leeuwenhoek
• Bukti pasti bhw mikroorganisme mampu
melakukan fernmentasi timbul dari studi
Louis Pasteur tahun 1857 dan 1876, Æ dsb Bapak Bioteknologi
Perkembangan Bioteknologi
Perkembangan
Bioteknologi
Jaman Louis
Pasteur
• Alkohol (Etanol, Butanol, aseton, gliserol) • Asam organik (Asam sitrat, asam asetat) • Pengolahan limbah secara aerob
Perkembangan Bioteknologi
Jaman antibiotika
• Antibiotika (Penisilin, tetrasiklin, streptomisin) • Vaksin (Vaksin anti NCD, vaksin anti polio) • Transformasi steroid (DOPA)
• Teknologi fermentasi media cair • Teknologi biakan jaringan hewan
Perkembangan Bioteknologi
Jaman pasca antibiotika
• Asam amino (Asam glutamat, lisin, aspartame) • Protein sel tunggal
• Enzim (amilase, glukosa isomerase, glukosa dehidrogenase)
• Teknologi imobilisasi sel dan enzim
• Teknologi pengolahan limbah cair anaerob (Biogas)
ARAS PENERAPAN BIOTEKNOLOGI
ARAS MASUKAN KELUARAN
TINGGI
Modal besar, alat dan proses canggih, operator terdidik Produk bernilai tinggi untuk kesehatan dan pangan MENENGAH Modal menengah, alat dan proses tidak terlalu rumit
Pangan, pakan, pupuk dan
pestisida hayati
RENDAH
Modal kecil, alat dan proses sederhana,
operator tak terdidik
Produk bernilai rendah, sanitasi,
pemanfaatan limbah
Contoh produk pakan hasil
fermentasi
• Fermentasi jerami • Fermentasi dedak
• Fermentasi pucuk tebu
Definisi Fermentasi
Fermentasi
merupakan proses
pemecahan
senyawa organik
menjadi senyawa
sederhana yang
melibatkan
mikroorganisme
.
CnH2n+1OH.Rumus kimia umum alkohol Glukosa
Definisi Fermentasi
Mikroorganisma
Klasik : Urai seny.2 org.komplek seny. sederhana Anaerob
Mikroorganisma
Modern : Pengubahan suatu Substrat Bhn lbh berguna
Terkontrol
Fermentasi : Segala macam proses metabolisme yg (enzim, jasad renik scr oksidasi, reduksi, hidrolisa atau reaksi kimia lainnya) melakukan perub. kimia pd suatu substrat organik dg menghasilkan Produk Akhir.
Fermentasi: Aplikasi metabolisme mikrobia utk mengubah bahan (Industri) baku Æ produk yg bernilai lebih tinggi
Misalnya: - Etanol, Asetat
Tujuan Fermentasi
Menghasilkan suatu produk
(bahan pakan) yang
mempunyai kandungan nutrisi,
tekstur, biological availability
yang lebih baik
Disamping itu juga menurunkan
zat anti nutrisinya
Komponen Fermentasi
(medium, nutrien, fermentor)
Jenis medium fermentasi dibagi 3 :
• F. Medium Padat : Medium tdk larut, tapi
cukup lembab utk keperluan mikrobia (KA 12 – 60 %)
• F. Medium Semi Padat: Medium tdk larut,
kelembaban cukup (KA = 65 – 80 %)
• F. Medium Cair: Medium cair Æ substrat larut
Nutrien/substrat: senyawa yg tdp di
lingkungan pertumbuhan yg digunakan utk
proses katabolisme & anabolisme.
Nutrien dibedakan :
• makronutrien : senyawa yang dibutuhkan dalam jumlah banyak
• mikronutrien : senyawa yang dibutuhkan dalam jumlah kecil (trace element)
Nutrien utama yang digunakan untuk pertumbuhan mikrobia adalah karbon, nitrogen, hidrogen,
Fermentor
• Fermentor : tangki atau wadahdimana di dalamnya seluruh sel (mikrobia) mengubah bahan dasar menjadi produk biokimia dengan atau tanpa produk
sampingan
• Sering disebut dengan bioreaktor • Fungsi dasar : menyediakan
kondisi lingkungan yang cocok bagi mikrobia didalamnya untuk:
–– Menghasilkan biomassa –– Menghasilkan enzim
Syarat fermentor
• Tangki dapat dioperasikan secara aseptik, agitasi dan aerasi
• Energi pengoperasian serendah mungkin • Temperatur harus terkontrol
• Kontrol pH
• Tempat pengambilan sampel
• Penguapan berlebihan dihindari
• Tangki didesain untuk meminimalkan tenaga kerja pemanenan, pembersihan dan perawatan
• Peralatan general: permukaan bagian dalam halus, dihindari banyak sambungan, murah.
Konstruksi Fermentor
• Bahan fermentor dibuat tahan karat utk mencegah kontaminasi logam/ion selama proses
• Bahan fermentor hrs tidak beracun & tidak mudah terlarut, shg tdk menghambat pertumb.mikrobia
• Bahan fermentor hrs kuat utk sterilisasi berulang kali pd tekanan uap tinggi
• Sistem stirer dari fermenter & lubang
pemasukannya cukup, shg tdk mengalami stress mekanik akibat terlampau rapat
Jenis-jenis Fermentasi
• Berdasarkan produk yang dihasilkan
– Alcoholic fermentation
– Lactic acid fermentation
• Berdasarkan proses kerja
– Batch culture fermentation
– Fed culture fermentation
– Semi batch culture fermentation
– Continuous culture fermentation
– Recycling continuous culture fermentation
• Berdasarkan kondisi
– Aseptis/ steril Æ pembuatan alcohol dan asam sitrat
– Semi aseptis / tdk kurang steril Æ pembuatan tempe, kecap, silase
• Alcoholic Fermentation
• Batch culture : tanpa penambahan substrat selama fermentasi berlangsung
• Fed batch culture: bbrp nutrisi/media ditambahkan slm fermentasi dlm interval tertentu, tdk ada medium
pertumbuhan yg dipindahkan
• Semi batch culture: sebag dari cairan fermentasi
dipindahkan stlh proses berlangsung (70-80 %) & sel yg tertinggal dlm tangki diendapkan/disentrifugasi
digunakan lagi utk batch berikutnya
• Kultur kontinyu: nutrien/media ditambahkan terus
menerus ke dalam fermenter dan produk dipindahkan dari tangki fermenter scr terus menerus
Phase: Lag
• Pd fase ini tk pertumbuhan nol, krn pd
saat sel dipindah ke medium yg baru tjd
penyesuaian dg lingk baru shg tdk sgr tjd
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
Phase: Logarithmic or Exponential
• Tingkat pertumbuhan maksimal dan naik
secara konstan
• Tingkat pertumbuhan eksponensial
dipengaruhi oleh
Kondisi lingkungan (suhu, komposisi medium) Sifat genetik dari mikrobia
Phase: Stationary
• Tingkat pertumbuhan nol, ciri:
– Tjd akumulasi produk beracun – Nutrien dlm medium tlh habis
– Bbrp sel mati, tapi yg lain tumbuh dan membelah, jd jumlah sel yg mati = yg membelah, shg jumlah sel seimbang (cryptic growth)
– Jumlah sel yg hidup tetap
• Walau tdk ada pertumbuhan, fungsi sel tetap berjalan spt metabolisme maupun biosintesa. • Produksi bbrp metabolit sekunder adalah utama
terutama pd perpindahan dari fase logaritmik ke fase stasioner
Phase: Decline or Death
• Tingkat pertumbuhan negatif, artinya jumlah sel yg hidup menurun
• Pd bbrp keadaan dpt diikuti dg tjdnya lisis dari sel shg turbiditas dan jumlah sel yg dihitung scr langsung akan berkurang sejalan dg
pengurangan sel hidup • Ciri-ciri :
– Terjadi akumulasi lanjut produk metabolit yg
menghambat nutrien penting dlm medium habis – Jumlah sel yg hidup turun scr logaritmik
Proses
Proses
Fermentasi
Fermentasi
• Glikolisis
2 pyruvic acid molecules
Proses Fermentasi
Lactic acid
Pyruvic acid + 2H+
Tahapan Proses Fermentasi
• Formulasi medium yg akan digunakan utk
menumbuhkan mikroorganisme Æ baik pd Enrichment
(pengkayaan) maupun pd 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
Kultur
Sediaan KocokLabu
Fermentor Pengembangan Inokulum Sterilisasi Formulasi Medium Bahan Medium Fermentor
PRODUKSI CairanKultur
Pemisahan Sel Biomasa (Sel) Supernatan Bebas sel Perlakuan Efluen Pemurnian Produk (bila berasosiasi dg Supernatan) Perlakuan Efluen Pemurnian Produk (bila berasosiasi dg Biomasa) Pengembangan Inokulum
Faktor2 yang
Faktor2 yang
mempengaruhi
mempengaruhi
fermentasi
fermentasi
Suhu
Oksigen (kondisi aerob/ anaerob)
Kandungan air medium/ substrat
Jml dan macam Inokulum (starter m.o)
PH medium (awal fermentasi)
Kandungan nutrisi medium
Jenis substrat
Pemilihan
Pemilihan SubstratSubstrat FermentasiFermentasi
• Perlu substrat murah, mudah tersedia & efisien penggunaannya • Peluang penelitian Æ menemukan substrat baru yg lebih efisien • Apakah substrat baru lebih baik Æ Hrs terjawab :
– Apakah ada/ tdk ada residu yg menimbulkan limbah – Apakah substrat baru tsb diterima konsumen
– Apakah harga lebih murah/ lebih efisien – Substrat yg murah tidak selamanya baik
• Bila produk fermentasi bisa dihasilkan dg cara sintesis/ cara lain maka Æ pemilihan substrat mrpk hal utama (bersaing)
Æ Con.: produk as. amino glutamat, lisin, metionin dsb.) • Produk yg hanya dihasilkan scr fermentasi Æ as. sitrat &
Beberapa faktor yg mempengaruhi pemilihan substrat :
1. Kontinyuitas ketersediaan
Tersedia sepanjang tahun; jangan dr bhn yg musiman/ ketersediaannya terbatas
Dpt disimpan dalam beberapa bulan, mutu dan komposisinya relatif tetap
2. Sifat fermentasi
Substrat hrs dpt difermentasi
Mis: Produksi PST Æ Trichoderma viridae dpt tumbuh baik pd
substrat selulosa (jerami padi); tetapi tdk dpt tumbuh baik pd bungkil kelapa
3. Harga substrat
Sterilisasi
(proses bebas kuman, virus,
spora, jamur)
• Cara alami: pemanasan dalam air
mendidih
• Cara kimiawi: antiseptik & desinfektan
Pasteurisasi
Teknik Pemanenan Produk Fermentasi
Dimensi baru tek fermentasi dpt memanfaatkan M.O. utk menghasilkan :
Metabolit primer
– Metabolit yg dihasilkan selama fase pertumbuhan utama – Metabolit yg penting utk pertumbuhan mikrobia
glukosa, fruktosa, etanol, alcohol, kalsium sitrat (dr ampas tahu, ampas tapioca, bekatul)
Metabolit sekunder
– Metabolit yg dihasilkan saat mendekati akhir fase
pertumbuhan, seringkali, saat terjadinya fase stasioner Metabolit Sekunder (Æ tdk punya peranan langsung utk
kehidupan M.O.) Æ Mis : Antibiotik (penisilin, oksitetrasiklin, streptomisin, aktinomisin) dan Alkaloid
Proses Produksi Pemanfaatan langsung : Silase, Yoghurt, SCP/ PST Sentrifuse Sel / PST Pemecahan sel dg pembekuan/ sonicator Sentrifuse Sel/PST N butanol Cairan Cairan Ekstraksi (Pelarut organik) Senyawa polar
Dan Medium Senyawa Non polar
Cairan mengendap, Senyawa polar Ekstraksi pelarut organik N butanol Pemisahan lanjut sesuai kebutuhan Produk Metabolit
