FERMENTASI Universitas Dr. Soetomo Surabaya 2017

PENGERTIAN 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 mikroba.

SOLID SATATE FERMENTATION (SSF) SUBMERGED FERMENTATION (SMF) JENIS FERMENTASI SOLID SATATE FERMENTATION (SSF) SUBMERGED FERMENTATION (SMF)

FERMENTASI proses fermentasi yang berlangsung pada kondisi ketersediaan air yang minimal SSF proses fermentasi yang berlangsung pada kondisi dimana air tersedia dalam jumlah berlimpah SMF

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

BIOREAKTOR Bioreaktor atau dikenal juga dengan nama fermentor adalah sebuah peralatan atau sistem yang mampu menyediakan sebuah lingkungan biologis yang dapat menunjang terjadinya reaksi biokimia dari bahan mentah menjadi bahan yang dikehendaki.

BIOREAKTOR Media padat, bagian dalam fermentor memiliki kompartemen yang tersusun vertikal (bertingkat ke bawah) Tidak memiliki alat pengatur pH Fermentor cukup sederhana Media cair, bagian dalam fermentor tidak memiliki kompartemen Seluruh variabel fermentasi dapat dideteksi dan diatur secara otomatis Fermentor cukup rumit karena perlengkapan pengatur fermentasi cukup kompleks

SSF FERMENTOR Keterangan Gambar: 1. ruang 2. saluran pembuangan udara 5 10 Keterangan Gambar: 1. ruang 2. saluran pembuangan udara 3. tempat inokulasi culture 4. nampan pertumbuhan 5. substrat yang ditumbuhkan 6. saluran pendingin & pemanas 7& 8. saluran pemasukan udara 9. saluran pembuangan air 10. suplai udara/uap dingin atau panas dari mesin

KELEBIHAN SSF Produktifitas Lebih tinggi Pemakaian air yang rendah Tidak dibutuhkan aerasi Media fermentasi sederhana Meningkatkan Aktivitas Enzim Ruang fermentasi lebih sedikit Meningkatkan Konsentrasi Biomassa Meningkatkan Kestabilan Enzim Meningkatkan Produktivitas Antibiotik Biaya Lebih Murah

KEKURANGAN SSF Spesifik terhadap organisme tertentu Substrat membutuhkan perlakuan pendahuluan Kontrol proses sulit Sulit dilakukan agitasi dan aerasi Mekanisme perpindahan panas sulit Sulit untuk diterapkan pd skala besar Proses downstream sulit untuk dilakukan

KELEBIHAN SmF Mudah ditumbuhkan Meningkatkan pertumbuhan bakteri Mudah untuk dilakukan scale-up Mudah dilakukan agitasi

KEKURANGAN SmF Biaya lebih mahal Mempunyai periode inkubasi yang pendek Menghasilkan produk dalam jumlah rendah Aw dari medium cenderung tinggi sehingga rentan terjadi kontaminasi jika kondisi aseptis tidak dipertahankan. Terjadi represi katabolit (catabolite repression)

RUANG LINGKUP PROSES FERMENTASI Fermentasi yang memproduksi Enzim Fermentasi yang menghasilkan Sel (Biomas) sebagai Produk Contoh : Yeast Single Cell Protein (SCP) Contoh : Enzyme Glucoamilase

Fermentasi yang menghasilkan Sel (Biomas) Sebagai Produk

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%

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)

2. Single Cell Protein (SCP) ALGAE BAKTERI 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 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 Bagaimana jika Nitrogen lebih rendah??

Fermentasi yang menghasilkan Ensim

a. Ensim Amylase Digunakan pada industry cereal 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

digunakan pada coffee bean fermentation pd pembuatan kopi b. Ensim 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

c. Ensim Lactase digunakan untuk produksi konsentrat milk 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

d. Ensim Protease digunakan untuk detergen laundry 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

Fermentasi yang menghasilkan Metabolisme Mikroba

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

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

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

2. Asam Amino proses merupakan fermentasi “SMF” aerobic 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

3. Antibiotik (Secondary Metabolite) Sumber Mikroba 1. Amphomycin Streptomyces Canus 2. Bacitracyn Bacillus subtilis, B. licheniformis 3. Chromomycin S. Griseus 4. Penicilin – G P. Chrysogenum 5. Streptomycin 7. Tetranacin S. flaveolus Antibiotik di atas untuk kepentingan klinis dan mikroorganisme

Penicilin merupakan kelompok metabolite sekunder 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

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

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

Fermentasi yang memodifikasi Senyawa

Steroid 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

SISTEM FERMENTASI Biokatalis  bakteri, yeast, jamur (fungi) 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)

Persamaan Untuk Proses Fermentasi 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)

Diagram Proses Fermentasi . Persiapan media Sterilisasi media O2, CO2, N2 Proses Fermentasi Kompresi Udara Sterilisasi Udara Pengambilan Produk & Pemurnian