AERASI DAN AGITASI
Aerasi digunakan dalam pembuatan starter, yaitu dalam proses memperbanyak diri dan adaptasi mikroorganisme. Tahap ini dimulai saat inokulum yang telah beradaptasi dalam medium dimasukkan dalam medium di fermentor. Pelaksanaan fermentasi dilakukan dengan cara sebagai berikut:
Nutrisi, substrat, dan inokulan dimasukkan ke dalam fermentor yang dilakukan secara aseptis. Nutrisi dimasukkan ke dalam fermentor sebelum disterilisasi dalam autoclave. Substrat dan inokulan dimasukkan dengan cara memanaskan mulut inlet dengan kapas yang dibakar kemudian medium dan inokulum dimasukkan ke dalam fermentor.
Kemudian dilakukan kecepatan aerasi dan agitasi.
Aerasi berfungsi sebagai penyuplai oksigen untuk sel ragi dan disuplai dalam bentuk gelembung gas. Laju oksigen yang disuplai ke dalam fermentor harus selalu stabil. Ketidakstabilan laju alir oksigen dapat menurunkan unjuk kerja fermentor. Hai ini disebabkan karena laju transfer O2 tidak tetap, kadar DO tidak stabil, sehingga metabolisme sel ragi terganggu. Di sini, Agitasi berfungsi sebagai alat penghomogen larutan fermentasi.
Dalam media fermentasi padat, aerasi diatur dengan cara memperhatikan pori-pori bahan yang difermentasikan (Indrawati Gandjar, 2006). Aerasi berfungsi untuk mempertahankan kondisi aerobik untuk desorbsi CO2, mengatur temperatur substrat, dan mengatur kadar air (Prior dkk, 1980). Aerasi yang diberikan juga membantu menghilangkan sebagian panas yang dihasilkan sehingga temperatur dapat dipertahankan pada temperatur optimal untuk produksi enzim (Abdul Aziz Darwis dkk, 1995).
Tingkat aerasi optimal yang diberikan dipengaruhi oleh sifat mikroorganisme yang digunakan. Tingkat O2 yang dibutuhkan untuk sintesis produk, jumlah panas metabolik yang harus dihilangkan dari bahan, ketebalan lapisan substrat, tingkat CO2, dan metabolit-metabolit lain yang mudah menguap harus dihilangkan, dan tingkat ruang udara yang tersedia di dalam substrat
Agitasi atau agitation merupakan sistem pengadukan yang ada di dalam fermentasi. Dimana alat dari pengadukan atau agigator terletak di dalam fermenter. Pada sel tersuspensi, pengadukan dilakukan untuk mencampurkan 3 fase dalam fermentor, dimana fase gas didominasi oleh oksigen dan karbondioksida, dan fase padat terdiri dari substrat-substrat padatan. Pengadukan ini dilakukan untuk menghasilkan campuran yang homogen, dan juga menaikkan nutrisi, gas, dan transfer panas.
Transfer panas dibutuhkan baik untuk sterilisasi maupun untuk menjaga suhu agar tetap konstan selama proses fermentasi berlangsung.
Pencampuran yang efisien dengan sistem agitation ini sangat penting untuk transfer oksigen dalam fermentasi aerobik, karena mikroorganisme dapat mengambil oksigen hanya dari fase cair. Dan perubahan oksigen gas ke liquid (dissolve oxygen) dapat ditingkatkan melalui proses pengadukan (agitation). Selain untuk memenuhi kebutuhan oksigen mikroba, agitasi juga berfungsi untuk menjaga mikroba tetap tersuspensi dan larutan medium tetap homogen.
Tingkat agitasi mempunyai pengaruh yang nyata terhadap efisiensi transfer oksigen di dalam fermentasi. Agitasi membantu proses transfer oksigen di dalam fermentor dengan cara sebagai berikut : Sistem agitasi menyebabkan gelembung udara menjadi lebih kecil sehingga luar permukaan dimana terjadinya transfer oksigen menjadi besar, sistem agitasi menyebabkan waktu tinggal gelembung udara dimedium lebih lama, agitasi juga dapat mencegah bergabungnya kembali gelembung-gelembung udara yang sudah ada, serta agitasi dapat memperkecil tebal lapisan film pada permukaan antar fase gas dan cairan karena sifat aliran fluida yang turbulen. Tingkat agitasi ini dapat diukur berdasarkan tenaga yang dikonsumsi oleh motor penggeraknya. Terdapat 3 perinsip sistem pengadukan yang digunakan , yaitu :
1. Stirred Tank Reactor (STR)
STR mempunyai mekanisme pengadukan impeller yang bergerak didalam bejana silinder Baffled yang berbentuk piringan datar vertikal. Normalnya terdapat 4 sampai 6 piringan baffle berada di dalam dinding bejana untuk membantu pencampuran sehingga mendapatkan larutan homogen, membantu transfer masa dengan menaikkan aliran turbulen, selain itu juga berfungsi untuk mencegah pembentukan pusaran dan menghilangkan bagian yang mati.
Sistem Stirred Tank Reactor (STR) dikendalikan oleh impeller yang dihubungkan dengan external motor. Tangki aduk ini dirancang sedemikian sehingga pencampuran substrat dapat optimal dan kebutuhan daya sedikit.
Efektifitas dari agigasi pada sistem Stirred Tank Reaktor ini bergantung pada beberapa faktor, diantaranya :
1. Desain pisau Impeller 2. Kecepatan agigasi 3. Kedalaman liquid
Oksigen dalam fermentasi aerob dapat dipandang sebagai zat nutrisi yang penting seperti halnya zat-zat nutrisi yang lain. Zat-zat nutrisi lain seperti glukosa dapat dengan mudah dilarutkan sampai kadar yang cukup besar (misal : 10.000 mg/l); tetapi oksigen mempunyai kelarutan yang sangat kecil (kurang dari 10 mg/l) sehingga populasi oksigen yang kontinyu (aerasi) sangat diperlukan untuk mencukupi kebutuhan oksigen bagi mikrobia.
Proses aerasi tidak terlepas dari proses pengadukan (agitasi). Hembusan udara dari suatu kompresor ke dalam suatu larutan medium selain memberikan aerasi juga pengadukan. Pengadukan ini kadang-kadang ditambah dengan pengadukan mekanik untuk meningkatkan kecepatan pemindahan oksigen dari fase gas ke sel mikrobia. Dengan demikian aerasi dan agitasi tersebut selain untuk memenuhi kebutuhan oksigen juga untuk menjaga mikrobia tetap tersuspensi dan larutan medium tetap homogen.
Aerasi dan agitasi dalam skala laboratorium biasanya dilaksanakan dengan menggoyang-goyangkan labu berisi larutan (shaken flask culture). Dalam skala lebih besar, aerasi diberikan dengan cara menghembuskan udara bertekanan ke dalam cairan medium dan kadang-kadang dilaksanakan pengadukan mekanik. Aerasi dan agitasi dalam skala laboratorium mudah dilaksanakan, akan tetapi untuk skala industri perlu mendapat perhatian. Hal ini dikarenakan aerasi dan agitasi banyak menyerap biaya operasi.
Dalam uraian ini akan diberikan beberapa hal yang berkaitan dengan : Kebutuhan oksigen dalam proses fermentasi (aerob)
Kuantifikasi transfer oksigen
Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan transfer oksigen ke dalam larutan medium atau hubungan-hubungan antara koefisien transfer oksigen dan variabel-variabel operasional pada fermentor.
Pengaruh tingkat agitasi
Tingkat agitasi mempunyai pengaruh yang nyata terhadap efisiensi transfer oksigen di dalam fermentasi dengan pengadukan mekanik. Agitasi sangat membantu proses transfer oksigen di dalam fermentor dengan cara sebagai berikut:
Agitasi menyebabkan ukuran gelembung udara menjadi lebih kecil sehingga luas permukaan untuk terjadinya transfer oksigen menjadi lebih besar.
Agitasi menyebabkan waktu tinggal gelembung udara di medium menjadi lebih lama. Agitasi mencegah bergabungnya kembali gelembung-gelembung udara yang sudah ada. Agitasi memperkecil tebal lapisan film pada permukaan antar fase gas dan cairan karena
Tingkat agitasi dapat diukur berdasarkan tenaga yang dikonsumsi oleh motor yang menggerakkannya. Beberapa upaya telah dilakukan untuk mencari hubungan-hubungan antara konsumsi tenaga yang diperlukan dengan KLa, sehingga dengan hubungan-hubungan yang diperoleh tersebut dapat digunakan untuk memperkirakan tenaga yang dibutuhkan dalam desain danscale-up. Problem utama yang dijumpai adalah langkanya informasi.
PENGUNDUHAN DAN PEMURNIAN PRODUK FERMENTASI PRODUK FERMENTASI
Berbagai produk yang dihasilkan oleh mikroorganisme, dapat dikelompokkan menjadi 4 kelompok yaitu Biomassa, enzim, metabolit dan hasil transformasi.
Biomassa
Produk biomassa mungkin berupa sel aktif (Baker’s yeast) ataupun protein sel tunggal (single cell protein) baik yang dipergunakan untuk bahan pangan (food) maupun sebagai bahan pakan (feed) yang diperoleh dari sel-sel bakteria, khamir dan kapang.
Enzim
Tanaman, hewan dan mikroorganisme merupakan sumber enzim yang melimpah. Akan tetapi untuk dapat diproduksi secara komersial, enzim mikroorganisme mempunyai prospek yang sangat baik mengingat kelebihan-kelebihan yang dipunyainya. Beberapa keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan mikroorganisme sebagai sumber enzim adalah :
Relatif mudah diproduksi secara besar-besaran dengan teknik fermentasi yang ada. Waktu produksi yang relatif lebih cepat.
Lebih mudah dilakukan perbaikan/peningkatan produktivitas, baik dengan penggunaan inducer atau kontrol feedback repression maupun dengan manipulasi genetik.
Banyak enzim yang telah diproduksi secara komersial, antara lain amilase/diastase, amiloglukosidase, glukosa isomerase, selulase, protease dan lain sebagainya.
Metabolit
Metabolit mikroorganisme dapat dibedakan menjadi :
Metabolit primer, merupakan metabolit yang berperanan penting dalam penyusunan makromolekul ensensial maupun enzim. Termasuk disini hasil antaranya dan produk akhir. Metabolit-metabolit ini biasanya diproduksi selam fase pertumbuhan eksponensial (fase log), disebut sebagai “trophophase”. Produk-produk fermentasi yang termasuk dalam kelompok ini antara lain asam-asam organik (asetat, laktat, sitrat, propionat), alkohol (metanol, etanol, butanol, propanol), asam-asam amino (glutamat, aspartat, lisin, metionin), asam-asam lemak, karbohidrat (levan, glukan, mannan, glukosa), nukleotida dan vitamin-vitamin.
Metabolit sekunder, merupakan metabolit yang disintesa oleh mikroorganisme tetapi tidak langsung disebutkan di atas, yang memerlukan cara pengunduhan dan pemurnian yang cukup rumit, juga terdapat produk-produk fermentasi yang berupa makanan atau minuman yang langsung dapat dikonsumsi tanpa perlakuan pemurnian. Tempe, tape, keju (makanan) dan bir, anggur, arak (minuman) merupakan produk-produk yang tidak memerlukan pemurnian.
PENGUNDUHAN DAN PEMURNIAN PRODUK
Cara pengunduhan dan pemurnian produk fermentasi sangat bervariasi dari yang sangat sederhana sampai dengan yang rumit. Oleh karena itu biaya yang dikeluarkan untuk proses inipun bervariasi, dari yang tanpa biaya sama sekali sampai dengan yang memerlukan biaya sebesar 60% biaya total produksi.
Untuk produk-produk yang memerlukan biaya cukup besar dilakukan pemilihan proses yang tepat dan efisien, mengingat cairan fermentasi merupakan campuran yang mengandung berbagai substansi, antara lain sel mikroorganisme, komponen medium baik yang larut maupun tidak larut, dan produk-produk metabolit lain.
Dalam pemilihan proses beberapa hal perlu mendapatkan perhatian : Lokasi produk yang diinginkan (intraselular/ekstraseluler)
Proses fermentasi yang dilaksanakan (kultur padat/cair) Karakteristik fisiko-khemis produk
Konsentrasi produk dalam cairan fermentasi biasanya berkadar rendah
Kandungan substansi lain dalam cairan fermentasi (komponen medium, kotoran, metabolit lain)
Bentuk produk yang diinginkan (padat, kristal/cair) Persyaratan produk (kemurnian)
Nilai ekonomis produk.
Dari pertimbangan di atas, kemudian diusahakan peralatan yang tepat baik tipe maupun ukurannya untuk menjamin bahwa cairan fermentasi dapat diproses secara ekonomis menguntungkan (biaya, waktu dan sebagainya).
Tentu saja cara pengunduhan dan pemurnian hasil fermentasi juga tidak terlepas dari proses-proses sebelumnya dalam rangkaian proses-proses produksi. Sehingga proses-proses yang dilakukan sebelum mendapatkan produk sering mengacu pada kemudahan pengunduhan dan pemurnian produk fermentasi. Beberapa langka-langkah yang mempunyai tujuan kemudahan tersebut adalah :
Seleksi mikroorganisme, yang bersifat flokulan (flocculant strain) untuk memudahkan pemisahan sel dari cairannya atau yang tidak membentuk pigmen/metabolit lain.
Modifikasi kondisi fermentasi untuk mengurangi produksi metabolit lain yang tidak diinginkan.
Ketepatan waktu pengunduhan.
Pengendalian pH dan temperatur setelah pengunduhan. Penambahan agensia flokulan/imobil
