Teknologi Fermentasi. Marlia Singgih Wibowo School of Pharmacy Insitut Teknologi Bandung

(1)

Teknologi Fermentasi

Marlia Singgih Wibowo School of Pharmacy Insitut Teknologi Bandung

(2)

Pendahuluan

• Istilah Fermentasi

• asal kata : “fervere” berarti mendidih

(3)

Proses umum fermentasi

Fermentasi

Pemisahan

Penghancuran sel Isolasi & purifikasi

Formulasi Raw Material Sterilisasi Sel mikroba Penyiapan inokulum By product Pengolahan limbah

(4)

Parameter yang menentukan

• Mikroorganisme

• Substrat

• Produk

• Kondisi fermentasi

• Bioreaktor

• Tahap Isolasi dan purifikasi

• Pengolahan limbah

(5)

Mikroorganisme

•Fisiologi •Morfologi •Pertumbuhan •Karakteristik pertumbuhan •Kebutuhan lingkungan

•Pola produksi metabolit •Stabilitas genetik

(6)

Substrat

• Komposisi

• Sifat fisika dan kimia

• Proses sterilisasi

• Konversi

• Rancangan formulasi media

(7)

Produk

• Intrasel, ekstrasel

• Proses panen

• Perhitungan hasil

• Sensitivitas terhadap degradasi

• By-product

(8)

Kondisi fermentasi

•Lingkungan fisik •Lingkungan kimia •DO2, pCO2 •Mass transfer •Kadar nutrisi •Karakteristik mixing •Aerasi dan agitasi

(9)

Bioreaktor

• Jenis bioreaktor

• Komponen instrumen

• Cara Sterilisasi

(10)

Tahap Isolasi dan purifikasi

Proses aseptik

Pemisahan, fraksinasi, isolasi

Purifikasi

(11)

Pengolahan limbah

• Jenis limbah

• Proses pengolahan

(12)

Jenis Fermentasi

• Fermentasi padat (Solid Substrate

Fermentation)

• Fermentasi cair /bawah permukaan

(Sub-merged Fermentation)

(13)

Metabolisme

• Katabolisme : proses degradasi nutrien menjadi fragmen-fragmen yang lebih kecil. Proses

katabolisme menghasilkan ATP, proton motive

force, menurunkan tenaga dan pengambilan

nutrisi serta pembentukan rangka karbon dalam jalur metabolisme inti

• Jalur degradasi ini bisa pendek (misalnya

pembentukan asetat) atau bisa pula panjang (misalnya pembentukan asam benzoat)

(14)

• Amphibolisme : proses pembentukan intermediate (senyawa antara)

• Terjadi pembentukan building blocks (senyawa pembangun), misalnya asam amino, purin,

pirimidin, gula-gula fosfat, asam organik, dan metabolit lain

(15)

• Anabolisme : biosintesis polimer dari monomer (asam amino, nukleotida dan lipid) dari rangka karbon utama melalui pemanfaatan ATP dan NADPH

• Pertumbuhan sel dengan menggabungkan struktur makromolekul melalui proses

polimerisasi monomer-monomer yang dihasilkan dari proses biosintesis, melibatkan berbagai

nukleotida fosfat

• Polimer sel a.l. protein, asam nukleat, dinding sel, makanan cadangan, dll.

(16)

Tahap Utama Metabolisme

CO2

KH, Lemak, Protein

Katabo

lisme Biosintesis

Tumbuh Kerangka karbon ADP ATP NADP NADPH NTP NDP Asam amino, asam nukleat, dll Protein, lipid, struktur sel

(17)

Regulasi metabolisme

• Seluruh kegiatan metabolisme berlangsung sangat cepat dan harus bekerja di dalam sel • Mikroorganisme memiliki potensi genetik untuk

memproduksi lebih dari 1000 enzim

• Enzim ini harus dibentuk dalam jumlah yang tepat dan dalam sistem yang terkoordinasi dengan baik agar sel bekerja secara efisien

• Mikroorganisme dapat dengan cepat

mengantisipasi perubahan lingkungan sehingga dapat dengan segera memperbaiki sistem

metabolismenya

• Regulasi untuk sistem yang demikian terjadi pada level sintesis enzim atau pada level kerja enzim

(18)

Faktor yang mempengaruhi

regulasi metabolisme

• Jenis dan jumlah enzim

• Jenis dan jumlah substrat

• Adanya induktor, aktivator, represor dan

inhibitor

• Faktor lingkungan

• Faktor genetik

(19)

Pemanfaatan mikroorganisme

• Biomassa

• Enzim

• Metabolit primer

• Metabolit sekunder

• Biotransformasi

• Bioinformatik

(20)

Beberapa contoh metabolit sekunder

mikroba dan manfaatnya

• Antibiotik : penisilin (Penicillium chrysogenum), sefalosporin (Cephalosporium acremonium),

• Imunosupresan : silosporin (Trichoderma

polysoprum)

• Bidang pertanian : growth promoter Zearalonone (Gibberella zeae)

• Enzim : amilase (Aspergillus niger), lipase (Pseudomonas aeruginosa)

(21)

Pertumbuhan sel mikroba

• Pertumbuhan sel : bertambahnya jumlah

sel atau massa sel

• Growth (pertumbuhan) merupakan hal

yang penting dalam fungsi mikroba

• Bakteri membelah diri dalam waktu 20-90

menit

• Ragi : 90-120 menit

• Kapang :

4-8 jam

(22)

Syarat mikroba tumbuh

• Ada sel hidup

• Ada sumber energi

• Ada nutrisi dan faktor pertumbuhan

• Tidak ada inhibitor atau toksin

(23)

Kurva pertumbuhan

mikroorganisme

(sistem batch)

a b c d e Waktu (t) Biomasa (X)

Ket : a: fase lag ; b: fase log ; c:fase stasioner ; d:fase kriptik ; e:fase kematian

µ x = dX/dt

µ =laju pertumbuhan X=konsentrasi sel t=waktu

(24)

Sistem kultur untuk pertumbuhan dan

produksi menggunakan mikroorganisme

• Sistem batch (kultur curah)

• Sistem fed-batch (kultur curah umpan)

• Sistem continuous (kultur sinambung)

(25)

Medium pertumbuhan

• Substrat organik dan non-organik

• Kebutuhan hidup tergantung pada proses

metabolisme, kebutuhan akan oksigen,

suhu, dll

• Menentukan jenis mikroba :

– Mikroba aerob, an-aerob, obligat, fakultatif – Mikroba psikrofil, termofil

(26)

Kebutuhan mikroorganisme

• Untuk tumbuh, mikroorganisme

memerlukan nutrisi

• Medium untuk pertumbuhan

mikroorganisme dapat berupa bahan alam

(sifatnya kompleks) atau bahan kimia

(27)

Elemen dalam sel mikroorganisme

Elemen % brt.krng Fungsi fisiologis

C 50 komponen sel organik O 20 komponen sel organik,

Akseptor e- pd respirasi N 14 utk protein, as.nukleat,

Ko-enzim

H 8 komponen sel organik

P 3 Fosfolipid, as.nukleat

S 1 as.amino, protein

K 1 kation dan kofaktor pd reaksi enzimatis

Na 1 kation dan membran

transpor

Ca 0,5 kation dan kofaktor Mg 0,5 kation dan kofaktor

(28)

Komposisi rata-rata sel mikroba

Mikroba _{% C} _{% N} _{% Protein} _{% KH} _%Lipid _%As.

Nukleat

%Abu

Bakteri ₄₈ ₁₂ ₅₅ ₉ ₇ ₂₃ ₆

Ragi ₄₈ ₅₇ ₄₀ ₃₈ ₈ ₈ ₆

(29)

Komponen Medium untuk

mikroorganisme

• Karbon : sebagai sumber energi dan komponen utama biomasa

Sumber karbon dapat berasal dari :

Polisakarida atau monosakarida, contoh : Karbohidrat, glukosa, molase, amilum, malt extract, dll.

• Nitrogen : sebagai sumber pembentukan komponen utama sel

Sumber nitrogen dapat berasal dari : garam ammonium, urea, asam amino, sumber

kompleks seperti CSL (Corn Steep Liquor), Yeast Extract, Pepton, dll.

(30)

Komponen Medium untuk

mikroorganisme

• Mineral : P, K, Na, Mg, S, Ca, dll

P sebagai salah satu unsure penting dalam pembentukan asam nukleat (dalam bentuk Fosfat), S sebagai unsure pembentukan

beberapa asam amino esensial, Mg sebagai kofaktor dalam proses fosforilasi.

• Unsur-unsur lain : trace elements misalnya : vitamin, EDTA, dll

(31)

Komponen Medium untuk

mikroorganisme

• Air

: komponen utama terbesar dalam

medium

• Oksigen

: kebutuhan utama mikroba

aerob sebagai aksptor electron pada

proses respirasi, yang umumnya

(32)

Hubungan antara pertumbuhan sel, penggunaan substrat dan pembentukan produk (metabolit)

• Laju pertumbuhan

• Laju pertumbuhan vs konsentrasi nutrisi • Koefisien hasil (yield coefficient)

• Nilai metabolit (metabolic quotient) • Persamaan Monod

• Persamaan Michaelis-Menten

(33)

PRODUKSI ASAM SITRAT

SECARA FERMENTASI

(34)

Pendahuluan

• Asam sitrat merupakan asam organik

• Berguna dalam industri makanan, farmasi

dan tambahan dalam makanan ternak

• Dapat diproduksi secara kimiawi, atau

secara fermentasi menggunakan

(35)

Sejarah Asam sitrat

• Sebelum tahun 1800 asam sitrat diperoleh dari tumbuhan (buah lemon)

• 1893 : ditemukan diproduksi oleh jamur berfilamen (filamentous fungi)

• 1923 : produksi pertama asam sitrat

menggunakan mikroorganisme dengan cara fermentasi pada permukaan (surface culture) • 1930 : produksi menggunakan fermentor

diperoleh sebanyak 5000 ton

• 1979 : produksi menggunakan fermentor mencapai 220.000 ton dari 220 m3

(36)

Kegunaan asam sitrat

• Industri makanan : flavouring agent,

ekstrak jus buah, perasa permen, es

krim,dll

• Industri farmasi : dapar pH, pengawet

dalam sediaan farmasi, perasa asam, dll

• Industri kimia : antifoam agent, softener,

campuran warna tekstil, campuran

deterjen, dll

(37)

Mikroba penghasil asam sitrat

• Merupakan metabolit primer

• Aspergillus niger • Aspergillus wentii

• Penicillium luteum, P.citrinum • Mucor piriformis • Citromyces pfefferianus • Candida lipolytica • Trichoderma viridae • Corynebacterium sp. • dll

(38)

Biosintesis asam sitrat dalam

mikroorganisme

• Asam sitrat (2-hidroksipropana-1,2,3-asam

karboksilat) adalah produk metabolisme primer dan dibentuk dalam siklus asam trikarboksilat (TCA cycle)

• Sumber karbon utama adalah glukosa • Enzim dalam jalur EMP terlibat dalam

penguraian glukosa menjadi piruvat

• Ketika piruvat mengalami dekarboksilasi

membentuk asetil koA, residu asetat masuk dalam siklus TCA

(39)

• Selama proses idiophase, enzim sitrat

sintase meningkat 10 kali selama produksi

asam sitrat, sedangkan enzim asonitase

dan sitrat dehidrogenase berkurang

• Glukosa juga mengalami katabolisme

melalui jalur pentosa fosfat. Enzim untuk

siklus ini terdapat pada A.niger

(40)

Diagram biosintesis asam sitrat

PEP Piruvat Asetil coA Sitrat IsoSitrat Suksinat Fumarat Malat oksaloasetat

(41)

Fermentasi asam sitrat

• Dapat dilakukan menggunakan 2 macam metode fermentasi : permukaan (surface

process) dan bawah permukaan (submerged process)

• Pada tahap tropofase, sebagian dari glukosa digunakan untuk membentuk miselium dan respirasi

• Pada tahap idiofase, sisa glukosa diubah menjadi asam organik, termasuk asam sitrat

• Produksi berkisar antara 40-69% dalam bentuk asam sitrat-1-hidrat (123 g per 100 g sukrosa) atau asam sitrat anhidrat (112 g per 100 g

(42)

Medium untuk nutrisi

• Sumber karbon : berbagai amilum dapat

digunakan (kentang, hidrolisat amilum, sirup glukosa, sukrosa, molase, dll)

• Penambahan trace elements (Cu, Mn, Mg, Fe, Zn, Mo) dalam skala ppm. Bila berlebih dapat berakibat toksik

• Fe merupakan faktor penentu, jumlahnya tergantung pada sumber karbon yang

digunakan. Contoh : bila digunakan sukrosa murni, jumlah optimal Fe adalah 2.0 ppm,

sedangkan bila hidrolisat amilum yg digunakan, jumlah optimal Fe adalah 0,2 ppm

(43)

• Komponen medium lainnya : sumber

nitrogen, fosfat, juga diperlukan

• pH harus diatur < 3.0, untuk menekan

pembentukan asam oksalat dan asam

glukonat. Selain itu dapat mengurangi

kemungkinan terkontaminasi

(44)

Proses produksi

• Penyiapan suspensi spora A.niger pada 25 °C, inkubasi selama 10-14 hari

• Inokulum dibuat dengan 15% gula (misalnya dari molase)

• Ditambahkan ion sianida untuk menginduksi pembentukan miselium dalam bentuk pelet dengan ukuran 0,2-0,5 mm

• Setelah 24 jam, pelet dapat digunakan untuk produksi dalam fermentor

(45)

Proses dengan metode permukaan

(surface process)

• Medium untuk metode ini dapat berupa substrat padat atau cair

• Substrat padat : wheat bran, amilum ubi (sweet potato)

• Setelah disterilisasi, substrat ditaburkan dalam loyang setebal 3-5 cm lalu diinkubasi pada 28 °C

• Pertumbuhan dapat dipercepat dengan penambahan enzim amilase

(46)

• Substrat cair lebih banyak digunakan karena efisien. Spora inokulum sebanyak 2 – 5 x 107 spora/m2 • Komposisi medium : (g/L) – Sukrosa 160 – 200 – NH₄NO₃ 1,6 – 3,2 – CaH₂PO₄ 0,3 – 1,0 – MgSO₄.7 H₂0 0,2 – 0,5 – ZnSO₄ 0,01 – 0,02 – Ca heksasianoferat 0,4 – 2,0

(47)

Kondisi fermentasi

• Suhu inkubasi 30 – 40 °C

• Ventilasi penting untuk pertukaran gas

karena produksi asam sitrat akan

berkurang bila CO

₂

di atmosfir meningkat

> 10%

(48)

Proses dengan metode bawah

permukaan (submerged process)

• 80% produksi asam sitrat di dunia

menggunakan metode ini

• Waktu fermentasi 8 hari

• 3 parameter yang menentukan

keberhasilan proses : kualitas fermentor,

struktur miselium, pasokan oksigen

(49)

• Fermentor harus terbuat dari bahan yang tahan terhadap asam, misalnya SS (Stainless Steel) • Bentuk miselium yang ideal adalah bentuk pelet

dengan diameter kecil. Bila terjadi filamen dan tidak membentuk klamidospora, asam sitrat yang terbentuk menjadi sedikit