FERMENTASI Fermentasi Etiologi bhs Latin fervere mendidihkan Mula
FERMENTASI
Fermentasi Etiologi : bhs Latin ‘fervere’ (mendidihkan). Mula 2 istilah ‘fermentasi’ digunakan pd proses pengubahan glukosa menjadi alkohol yg tjd scr anaerob. Akhirnya, istilah ‘fermentasi’ didefinisikan : seluruh perombakan seny organik yg dilakukan mikroorganisme yg melibatkan enzim yg dihasilkannya sbg biokatalis dlm lingkungan yg dikendalikan.
Pengertian lain 1. Proses yg menggunakan suatu senyawa (substrat) menjadi senyawa lain (produk) oleh adanya aktivitas mikroba 2. Suatu proses yg menghasilkan energi dg melibatkan molekul organic baik sebagai donor maupun akseptor elektron 3. Suatu proses yg melibatkan kultur mikroba baik yg bersifat aerob maupun anaerob 4. proses pembusukan bahan makanan 5. suatu kultur mikroba dalam kondisi optimum untuk menghasilkan produk berupa metabolit-metabolit, enzim, atau produk lain (seperti biomassa)
Penggolongan Proses Fermentasi PENGGOLONGAN BERDASARKAN CARA OPERASI A. Fermentasi cair I. Submerged fermentation (fermentasi bawah permukaan): � Batch process � Fed-batch (gabungan sistem batch dg kontinnyu) � Continuous process (proses sinambung/kontinyu) II. Surface fermentation (fermentasi permukaan), → misal pada pembuatan nata de coco B. Solid State Fermentation/ fermentasi padat misal pada pembuatan tape, oncom, koji dll.
PENGGOLONGAN PRODUKSI FERMENTASI q BERDASARKAN LETAK PRODUKSI � �� produk intraseluler � �� produk ekstraseluler q BERDASARKAN PERAN DALAM METABOLISME � �� metabolit primer � �� metabolit sekunder
PRODUK FERMENTASI KOMERSIL 1. Fermentasi dengan produk BIOMASSA (sel mikroba) : § SCP (Spirulina, Sancorella) § spora Penicillium roquefortii (keju) § Rhizobium sp. (simbiosis dg tan Leguminoceae) § Bakteri asam laktat (yoghurt) § B. thuringiensis (kristal protein → insektisida) 2. Fermentasi dengan produk ENZIM mikroba contoh : amylase, protease, pektinase, peroksidase, dll Produksi enzim oleh sel mikroba dpt ditingkatkan dg cara modifikasi pengendalian kondisi lingkungan (mis, pemberian induser pada kultur) Enzim mikroba dapat dibedakan atas : - enzim ekstrasel - enzim konstitutif - enzim intrasel - enzim induktif
3. Fermentasi dengan produk METABOLIT mikroba : • metabolit primer, senyawa antara yg disintesis oleh aktivitas sel pd fase pertumbuhan (trofofase) • metabolit sekunder, senyawa yang disintesis sel setelah fase pertumbuhan (idiofase) 4. Fermentasi dengan produk hasil BIOKONVERSI melalui modifikasi suatu senyawa yg ditambahkan ke dalam medium fermentasi untuk menghasilkan senyawa lain. Contoh : progesterone → 11 - α hidroksiprogesterone
Improving Production in Fermentation • • • Culture medium manipulation Culture condition manipulation Strain improvement Adding precursor molecules Improving product recovery
tahapan bioproses • • • pemilihan jenis mikrobia Formulasi media, Preparasi inokulum, Proses fermentasi kontrol proses Pemanenan produk : pemisahan, pemekatan, pemurnian
Proses fermentasi memerlukan komponen sbb : a) Kultur murni dr organisme terpilih dg jumlah yg sesuai dan kondisfi fisiologis yang baik; b) disterilisasi, hati-hati thd komposisi medium pertumbuhan organisme; c) Ada seed fermenter, fermenter produksi mini sebagai inokulum utk menginisiasi proses dlam fermenter utama; d) Fermenter produksi, berukuran besar, e) Peralatan utk : i) mengetahui medium kultur tetap dlm keadaan steady state, ii) pemisahan sel, iii) koleksi sel tanpa supernatan, iv) purifikasi produk, dan v) perlakuan panen.
Fermenter
Apa itu Fermenter? �Adalah suatu wadah atau tangki dimana sel atau enzim (tanpa sel) melakukan transformasi terhadap bahan baku menjadi produk biokimia atau produk yang dikehendaki. �Disebut juga sebagai Bioreaktor
Fermenter – Fungsi Dasar Fungsi pokok fermenter adalah dapat menyediakan lingkungan yang sesuai (nyaman) dimana organisme dapat secara efisien menghasilkan target produk yang dikehendaki, misalnya : - Biomassa sel, - Metabolit (primer atau sekunder), - Atau produk biokonversi.
Syarat Fermenter : Kemampuan apa yag harus dipenuhi fermenter ? � Konsentrasi biomassa harus tetap tinggi � Mampu mempertahankan kondisi sterile � Konsumsi tenaga/energi efisien � Agitasi efektif � Mampu memindahkan panas � Mudah dibersihkan � Ada fasilitas sampling
� Ada 3 kelompok bioreaktor yg digunakan dalam produksi industri : - non-stirred, non-aerated (Beer and wine) - non-stirred, aerated (Biomass, eg Protein) - stirred, aerated (Antibiotics)
Stirred Tank Reactor
STR - Control systems · Ada sistem agitator · Ada sistem penghantaran oksigen · Ada sistem kontrol buih · Ada sistem kontrol temperatur · Ada sistem kontrol p. H · Ada bagian untuk Sampling · Ada sistem utk pembersighan dan sterilisasi. · Ada bagian (pipa) utk pengosongan reaktor.
Dual use of fermentors Instrumentation of a fermentor Use of fermentors ü RPM ü Starters milk, silage, … ü Qair ü Baker yeast bread ü Pressure ü Alcoholic beverages ü CO 2, O 2 ? ü Lactic acid/organic acids (citric) ü Gas balance ü Antibiotics ü OD? ü Vaccines ü p. H (controlled) ü Monoclonal antibodies ü Temperature ü Recombinant proteins (or toxin ? ) ü Waste water treatment ü Bioleaching
Tahap transfering proses industri dari skala laboratorium ke fermentor komersial �Shake flash Experiments �Fermentor skala Lab (5 -10 L) �Fermentor skala Pilot (300 -3000 L) �Fermentor Komersial (10, 000 -500, 000 L)
Pengembangan Proses Laboratorium Ekxperimen Fermentor Skala Lab �Batch process �Fed-batch process �Continuous process �Semi-continuous process
Ada 2 Tipe Sistem Fermentasi : Sistem Tertutup : Tidak ada penambahan nutrien lagi setelah inokulasi (kecuali oksigen utk yg aerob) Pertumbuhan berhenti setelah bbrp saat Sistem Terbuka : Nutrient secara kontinyu dimasukkan setelah inokulasi, pertumbuhan akan berlangsung terus sepanjang medium segar (fresh medium) ditambahkan. mikroorganisme dan nutrien secara koninyu masuk dan keluar dari fermenter shake flask (di lab) agar plate
Tipe Sistem Fermentasi 1) Batch culture: microorganisms are inoculated into a fixed volume of medium and as growth takes place nutrients are consumed and products of growth (biomass, metabolites) accumulate. 2) Semi-continuous: fed batch-gradual addition of concentrated nutrients so that the culture volume and product amount are increased (e. g. industrial production of baker’s yeast); Perfusion-addition of medium to the culture and withdrawal of an equal volume of used cell-free medium (e. g. animal cell cultivations). 3) Continuous: fresh medium is added to the bioreactor at the exponential phase of growth with a corresponding withdrawal of medium and cells. Cells will grow at a constant rate under a constant condition.
Biotechnological processes of growing microorganisms in a bioreactor
Batch Culture • Merupakan suatu sistem tertutup • Merupakan operasi reaktor yg sederhana. • bioreaktor diisi dg medium fermentasi dan inokulum selanjutnya dibiarkan utk melakukan proses hingga saat pemanenan. • Ketika fermentasi sudah berakhir, hasil fermentasi dipanen dan dilakukan downstream processing. Bioreaktor dibersihkan, disterilkan, diisi, dan diinokulasi kembali, selanjutnya proses fermentasi berjalan lagi.
Batch Culture • merupakan proses yg dinamik dimana sistem tidak pernah mengalami steady state • komponen media steril dimasukkan pd awal fermentasi dg tidak ada penambahan makanan lagi setelah inokulasi. • laju pertumbuhan mikroorganisme akan berlangsung terus sehingga mencapai titik nol seiring dengan semakin menurunnya nutrien atau terakumulasinya produk toksik.
tahap pertumbuhan dlm sistem batch: • Lag phase • Exponential phase • Stationary phase • Death phase
Keuntungan Sistem Batch �Sistem sederhana • sekali sterilisasi dan tidak memungkinkan utk kontaminasi • biaya peralatan lebih rendah �Produksi seragam - consistency
Kerugian Sistem Batch �Terdapat lag time �Terbentuk Toxin �Utk produk-produk potensial, produksinya terbatas
Continuous Culture � proses fermentasi berkelanjutan didisain sedemikian rupa shg pemasukan nutrisi dikontrol dan berlangsung secara konstan. � Tahap awal proses sama dg kultur batch, namun ketika kultur sudah mencapai tahap eksponensial, maka dpt diperpanjang terus sampai tak terbatas dg secara kontinyu menambahkan medium segar ke dalam sistem.
Continuous Fermentation �Bioreaktor secara terus menerus di stirer dan volume konstan selalu dipertahankan dengan cara medium baru secara konstan selalu ditambahkan dan hasil fermentasi juga secara konstan dipanen sebanding dg volume yg ditambahkan. �Keadaan steady-state akan selalu tercapai, dimana laju pertumbuhan mikrobia akan sama dengan jumlah mikrobia yang digantikan dari fermentor. Proporsional dengan laju pelarutan oleh medium.
Continuous Culture �Merupakan sistem yg terbuka �Medium baru secara konstan dimasukkan, dan medium lama dikeluarkan �Memungkinkan terjadi pertukaran gas �Memungkinkan utk pertumbuhan dan produksi yg lama �Organisme yg memproduksi dpt dipindahkan bersamaan dg medium lama
Continuous Culture �Sesuai utk produksi senyawa yg disekresikan organisme ke dalam medium �Memungkinkan utk memonitor secara kontinyu dan memodifikasi lingkungan kultur �Bermanfaat apabila produksi molekul yg tidak perlu diatur ulang
Keuntungan continuous culture �Keadaan steady state mudah dikontrol �Laju konsumsi nutrien dan laju pemanenan dapat dipertahankan pada kondisi optimal. �Selektivitas tinggi dan mendukung perkembangbiakan mikroorganisme dengan adaptasi terbaik dalam kultur.
Kelemahan sistem continuous �Pengoperasiannya mahal �Lebih sulit utk mempertahankan sterilitasnya �Little value, apabila produknya tdk disekresikan atau dihasilkan setelah periode waktu tertentu yang ditentukan
FED-BATCH CULTURE • Merupakan modifikasi sistem batch culture. • fresh medium secara kontinyu dan periodik ditambahkan, tanpa menghilangkan/ mengeluarkan medium kultur sampai mencapai volume tertentu. • Fermentor didisain utk dpt mengakomodasi peningkatan voliume medium. Pada sistem ini tahap pertumbuhan adalah steady state semu. • Pada sistem ini dpt dicapai tingkat proses dan produk yg cukup besar
FED-BATCH CULTURE • Kapasitas aerasi kultur dalam fermentor dpt dipertahankan. • Dapat dihindari efek penghambatan dari komponen medium spt : cepatnya konsumsi karbon, nitrogen, atau fosfat; • Dapat dihindari efek toksik dari komponen medium; • Dpt digunakan utk menyediakan tingkat kebutuhan nutrisi yg terbatas utk strain auxotrophic.
FED-BATCH CULTURE • Produksi ragi roti • Produksi penisilin
Pemilihan Mikroorganisme
Pemilihan mikroorganisme Teknologi Fermentasi merupakan teknologi untuk menumbuhkan sel dalam skala besar dg efisiensi yg tinggi termasuk juga proses-proses mendapatkan produknya. Proses utama yang berlangsung secara aktual dilakukan oleh mikroorganisme, yang biasanya diistilahkan sebagai biocatalysis Mikroorganisme (biokatalis) bertindak sebagai ‘mesin’ utama baik untuk menghasilkan produk maupun melakukan transformasi kimia
Keuntungan Menggunakan Mikroorganisme Memiliki laju pertumbuhan yang sangat cepat. Mudah beradaptasi Dpt. menggunakan produk sisa sebagai substratnya (sisa proses produksi yang lain atau limbah pertanian, rumah tangga, dll) Dapat ditumbuhkan secara terus menerus (continuous), dalam skala besar tidak pernah dihentikan dan tidak perlu disterilisasi ulang. (memiliki keuntungan ekonomi) Memiliki kandungan protein tinggi
Keuntungan Menggunakan Mikroorganisme Mampu menghasilkan produk yang tinggi dari proses yang mungkin kecil Secara genetik dapat dimanipulasi Biasanya menghasilkan produk yang tidak toksik atau limbah yang tidak toksik Karena mengunakan organisme hidup, maka temperatur yang diperlukan lebih rendah dibandingkan dengan apabila prosesnya secara kimia.
SYARAT MIKROORGANISME Dalam teknologi fermentasi, mikroorganisme menentukan berhasil atau gagalnya proses bioteknologi. Harus dipilih mikroorganisme yg dapat menghasilkan produk atau menjalankan proses transformasi sesuai yg diinginkan Tahap awal dalam merancang proses fermentasi adalah mendapatkan mikroorganisme yang sesuai dengan memilih yang paling potensial utk diaplikasikan dalam industri.
Pemilihan Mikroorganisme § § § Mampu menghasilkan produk & mutu produk yg tinggi / komersial Secara genetik mikroorganisme harus stabil Strain harus dapat dibuat kultur murni, bebas dari mikroorganisme lain dan phage Strain harus dpt tumbuh seragam dan cepat setelah inokulasi ke dalam fermentor. Harus dihindari kemungkinan tjd reaksi dengan peralatan Mudah di-scale up Strain harus dpt menghasilkan produk sesuai keinginan dalam periode waktu tertentu (mis. 3 hari), bebas dari produk toksik atau pecahnya sel.
Pemilihan Mikroorganisme § § Strain harus mampu melindungi diri dari kontaminan, jika mungkin. Proteksi diri dpt dilakukan dg menurunkan p. H, mampu dikultur pd temperatur tinggi atau menghasilkan agen antimikrobial. Strain harus dapat dilakukan manipulasi genetik Strain harus mampu dipelihara untuk waktu yang lama dengan stabilitas dan viabilitas yang tetap tinggi Strain idealnya dpt ditumbuhkan dengan kebutuhan unsur hara yang simple dan murah. Tidak memerlukan penanganan yang rumit dalam hal kebutuhan nutrisi dan proses produksi.
Cara Memperoleh Strain Mikroorganisme �Membeli dari ‘Culture Collection’ �Men-skrining dari sumber alam �Melakukan rekayasa genetika �Melakukan mutasi �Menerapkan teknik biologi sel
Cara Memperoleh Strain Mikroorganisme q Membeli dari ‘Culture Collection’
Cara Memperoleh Strain Mikroorganisme q Men-skrining dari sumber alam Lokasi Sampling: diambil dari lokasi tempat mikroba tersebut tumbuh. Prosesing Sample : Sampel harus segera diproses di lab sesegera mungkin. Jika tidak mungkin, sample dpt disimpan di suatu tempat yang dpt menjaga integritasnya. Biasanya dalam pendingin (4 o. C)
Pre-treatmen Sample : bertujuan utk penapisan awal. Umumnya dengan teknik konsentrasi sample dan variasi temperatur. Misal. Teknik konsentrasi dg filtrasi menggunakan cellulose nitrate atau cellulose acetate filter. Variasi temperatur pd isolasi spora dg suhu di atas 80 o. C untuk membunuh sel-sel vegetatif, atau 70 o. C pada isolasi Actinomycetes Screening based on culture enrichment : menyediakan /mengatur komposisi nutrien dan kondisi kultur yang sesuai khususnya bagi mikroorganisme yg diinginkan dan menghilangkan yang tidak diinginkan
• The industrial production of antibiotics begins with screening for antibiotic producers Pemurnia n
Cara Memperoleh Strain Mikroorganisme q REKAYASA GENETIKA
Teknik biologi sel Fusi Protoplas (terutama utk meningkatkan Menghilangkan dinding sel menggunakan enzim litik frekuensi keberhasilan rekombinasi genetik) dengan adanya stabiliser osmotik Dengan menggunakan agen fusogenik , misal polyethylene glycol (PEG), protoplas diinduksi untuk fusi dan membentuk hibrid atau diploid. Regenerasi sel-sel yg viabel dari hasil fusi protoplas.
Preservasi dan Penyimpanan mikroorganisme �Serial transfer. Tidak direkomendasikan karena sebagian besar mikroorganisme akan kehilangan kemampuan yang diinginkan. �Penyimpanan pada agar miring. Temperatur kamar, 4 o. C, -20 o. C dan selalu di subkultur tiap 6 bulan sekali. �Preservasi dalam air suling. Khususnya untuk bakteria yang berspora atau fungi. Spora disimpan dalam air pada suhu 5 o. C. Untuk pemakaian terbatas. �Preservation dalam minyak.
Preservasi dan Penyimpanan mikroorganisme �Lyophilisasi atau dikering-bekukan : pembekuan dilakukan pada akhir fase log yang dilanjutkan dengan pembekuan dalam vakum untuk mengurangi kandungan air sel. �Pengeringan dalam silika gel, kertas. �Penyimpanan dalam tanah. Tambahkan inokulum dengan tanah kering steril dan biarkan kering pada temperatur kamar selama 2 minggu. Digunakan khusus untuk fungi dan Actinomycetes. �Penyimpanan dalam gliserol 10 -20% pada suhu 20 atau -70 o. C. �Penyimpanan dalam nitrogen cair. Sangat mahal.
Penyiapan Inokulum � Fermentasi memerlukan biakan murni yaitu biakan di mana sel-selnya berasal dari pbelahan satu sel tunggal. � Biakan murni mgd suatu populasi yg terdiri dari satu macam mikroba saja.
INOKULUM DAN SEED FERMENTER INOKULUM : Sediaan mikrobia yang disimpan dalam suatu media tertentu (umumnya dalam bentuk padatan) � SEED FERMENTER : Sediaan mikrobia yang ditumbuhkan dalam suatu bejana tertentu dalam skala max 10% dalam waktu tertentu (sampai fase eksponensial) sebelum masuk ke fermentor fermentasi yang sesungguhnya (biasanya dalam bentuk cair). Seed fermenter tidak ditujukan untuk menghasilkan produk, tetapi sebagai penyiapan dan memperbanyak inoculum �
Syarat Inokulum � � � � Sehat, lag fase kecil/pendek Dapat dibuat/ditumbuhkan dalam volume besar Harus memiliki ukuran yang pas untuk pertumbuhan kinetik optimalnya Bentuk morfologis stabil Bebas dari kontaminan Harus sudah masuk /berada dalam fase log Produktivitas maksimum tetap Sudah mulai diadaptasikan dengan medium produksinya. Jika tidak memungkinkan dpt dilakukan dengan menggunakan seed fermenter bertingkat.
Penyiapan Inokulum q Waktu (untuk mengaktifkan mikroba/inokulum) organisme waktu bakteri 20 – 120 menit jamur dan alga 2 – 6 jam q Konsentrasi Inokulum organisme konsentrasi (%)Tinggi rendahnya konsentrasi inokulum Bakteri 0, 1 – 3, 0 tergantung dari actinomycetes 5, 0 – 10, 0 viabilitas sel, inhibitor fungi 5, 0 – 10, 0 pertumbuhan atau suspensi spora 1 – 50. 000/L rendahnya nutrisi dalam medium
Preparasi Seed Fermenter Sub-Kultur dalam medium standar/dasar (mirip medium utk penyimpanan) selama 24 – 48 jam tgt macam mikroorganismenya. � Memindahkan ke dalam medium cair (komposisi mirip medium untuk produksi, hanya medium produksi utama dalam konsentrasi kecil) sesuai dengan konsentrasi yg dianjurkan, selama 3 – 5 hari (syarat sudah masuk fase log). � Pemindahan ke dalam fermentor fermentasi sesungguhnya. �
� Faktor kritis untuk mendapatkan inokullum yg sesuai / pas adalah pada pemilihan medium � Desain medium produksi ditentukan oleh 2 faktor : -Kebutuhan nutrisi organismenya, dan -Pembentukan produk maksimum
Tahapan Penyiapan Inokulum 1. Kultur Master (induk) dikultur pada media padat 2. Sekitar 10 koloni diinokulasi pada agar miring sbg kultur submaster. Setiap kultur submaster digunakan untuk melakukan produksi baru. Pada tahap ini, labu gojok bisa diinokulasi untuk mengecek produktivitas kultur, . 3. Kultur submaster digunakan untuk menginokulasi satu labu gojok (250 or 500 ml containing 50 or 100 ml medium), yg kemudian digunakan sebagai inokulum untuk labu yg lebih besar, atau fermentor lab, yg digunakan untuk inokulasi pilot -scale fermentor. 4. Kemurnian kultur dicek pada tiap tahapan untuk mendeteksi kontaminasi seawal mungkin. 5. Untuk mikroorganisme yang berspora, proses dapat dimodifikasi untuk memudahkan penggunaan spora sebagai inokulum.
Penyiapan inokulum
Tahapan inokulum • • Shake flash Experiments Fermentor skala Lab (5 -10 L) Fermentor skala Pilot (300 -3000 L) Fermentor Komersial (10, 000 -500, 000 L) Frozen Seed Flask Pre-Seed Fermenter Seed Fermemter Production Fermenter
Media
Media - Fermentasi • Semua proses fermentasi yg dilakukan oleh mikroorganisme memerlukan media yang secara nutritional sesuai : broth, semi padat, padat. • Umumnya proses fermentasi ada bbrp tahap yg masing-masing perlu media yg berbeda. Misal : tahap propagasi inokulum (starter), fermentasi skala-pilot, dan produksi fermentasi utama (sesungguhnya). • Antara propagasi inokulum dan fermentasi utama seringkali berbeda dalam macam nutrisi maupun formulasi mediumnya
1. mgd nutrisi yg dibutuhk bagi ptumbhan sel 2. mgd nutrisi yg dpt sbg sumber energi bagi sel 3. tidak mgd zat yg mghambat ptumbhan sel 4. tidak tdpt kontaminan yg dpt ningkatkan psaingan dlm pggunaan nutrisi 5. harus mengandung semua elemen yg cocok utk sintesis substansi sel maupun sintesis produk metabolit 6. Nutrien yg terkandung harus dpt diformulasikan utk menghasilkan produk target, biomassa maupun metabolit spesifik Syarat media
Selain itu, pd skala besar hrs dipakai sumber makanan yg relatif murah dan memenuhi syarat sbb: 1. mproduksi hsl sebanyak 2 -nya 2. menuhi kadar produk atau biomassa sebanyak 2 -nya (per gram bhn makanan terpakai). 3. mproduksi produk yg tak diinginkan sekecil-kecilnya. 4. murah, mutu terjamin, mudah diperoleh. 5. nimbulkan efek samping sekecil 2 -nya akibat proses produksi spt aerasi, agitasi, ekstraksi, pemurnian, dan pengolahan limbah.
Media & Produk Fermentasi • Formulasi medium tgt produknya dan sangat bervariasi kmposisinya. • Jika produknya berupa biomassa atau metabolit primer maka diupayakan medium yg memungkinkan utk pertumb. optimal mikroorganisme • Untuk produksi metabolit sekunder : antibiotik, maka diupayakan pertumb. optimal dikurangi. Konsekuensinya media dibuat yg memungkinkan utk pertumb. awal, diikuti dg yg memungkinkan utk produksi metabolit sekunder. Pada titik ini suplay salah atau bbrp nutrien (karbon, fosfor atau sumber nitrogen) mungkin dibatasi utk mencapai tahap yg diperlukan.
Kebutuhan Dan Formulasi Media • Sebagian besar fermentasi, kecuali pd medium padat, memerlukan sejumlah besar air dlm formulasinya. • Secara umum medium memerlukan : sumber karbon baik utk energi maupun biositesis metabolit, sumber nitrogen, fosfor dan sulfur. • Mikronutrien harus ditambahkan jika memang diperlukan; bbrp mikrorganisme memerlukan vitamin : biotin dan riboflavin. • Biasanya diperlukan buffer medium, p. H medium dikontrol dg menambah asam atau alkali’ dan osmolaritasnya diperhatikan. • Diperlukan juga agen ati buih
MEDIA DESIGN 1. NUTRITIONAL REQUIREMENTS - Elemental requirements - Specific nutrients, e. g. vitamins. minerals, amino acids, etc. - Energy requirements - Carbon source and Oxygen - Growth - Product Synthesis - Maintenance 2. ENVIRONMENTAL REQUIUREMENTS - p. H profile - Temperature profile - Dissolved oxygen profile - Catabolite repression - Physiological constraints, e. g. ionic strength, product inhibition
Laboratory process development Shake Flask Experiments Optimization of conditions for cell growth and product formation using shake flask experiments: 1. p. H 2. Temperature 3. Dissolved oxygen (DO) 4. Substrate choice 5. Maximal and optimal substrate concentration 6. Size and mass of cells 7. Others
Proses Fermentasi Alur proses Fermentasi Total waktu 3 -20 hari Frozen Seed Flask Pre-Seed Fermenter Seed Fermemter Production Fermenter
Proses fermentasi 1. Nutrisi, substrat, dan inokulum dimasukkan ke dalam fermentor secara aseptis. 2. Pengaturan kecepatan aerasi dan agitasi. Aerasi berfungsi sbg penyuplai oksigen utk sel dlm fermetor. Laju oksigen yg disuplai ke dlm fermentor dijaga stabil. Fluktuasi laju alir oksigen dpt menurunk kerja fermentor krn laju transfer O 2 tidak tetap shg metabolisme sel terganggu krn kadar DO yang tidak stabil. Agitasi berfungsi sbg alat pghomogen larutan fermentasi. Pengadukan dilakukan oleh impeller. Semakin banyak impeller di dlm fermentor semakin homogen larutan tersebut
. Laju alir udara dan pengadukan saling terkait satu sama lain, krn pengadukan akan ningkatkan laju dispersi oksigen ke dalam larutan dan meratakan kadar oksigen di seluruh medium fermentasi. Di pinggiran fermentor tdpt baffle bfungsi mcegah tjdnya vortex (pusaran air) shg dpt ningkatkan efisiensi aerator. Perlu dihindari foaming dg cara : - ditambahk zat antifoam sblm proses fermentasi (mis. Silicon). Foaming tjd krn protein terdenaturasi dlm medium fermentasi. - Atau scr mekanik dg ngatur putaran agitator. Hal ini lebih aman krn zat kimia yg terlalu banyak ditambahk ke medium dpt mjd inhibitor ptumbuhan mikroba.
Kontrol proses Sel mikroba tdr dr seny organik spt protein, yg mudah berubah sifat akibat perubh fisika atau kimia, mk selama proses di dalam bejana fermentasi hrs dphatikan bbrp faktor fisika atau kimia yg mungkin timbul yg dpt mpengaruhi jalannya proses. Faktor-faktor yg perlu dikontrol antara lain: • keberadaan air • p. H • keberadaan oksigen, yg mpengaruhi mikroba aerob atau anaerob. • suhu, bila terlalu tinggi akan memecah protein. • kekentalan, yg akan mpengaruhi tegangan permukaan. • homogenitas. • kemungkinan kontaminasi. • kemungkinan timbulnya busa (foaming).
pengunduhan Hasil proses fermentasi adalah bmacam 2 produk yaitu biomassa gel, bioenzim, metabolit, biokonversi, sisa makanan, dan hasil samping yg tidak diinginkan. Utk mperoleh hasil masing 2 produk yg diinginkan, harus dipisahk dan dimumikan shg diperoleh produk yg bermutu. Teknik pemisahan tgt produk yg akan dipisahkan dg mphatikan : - Produk dalam (intraseluler) atau luar sel (ekstraseluler) Konsentrasi produk Sifat fisik (ukuran partikel dll) dan kimia Tujuan penggunaan produk Kemurnian yang diharapkan Harga produk dan pertimbangan ekonomi lain
Yang umum, teknik pemisahan itu meliputi: • pemisahan senyawa larut dan tidak larut, dg bbrp teknik filtrasi, sentrifugasi, pemecahan gel. • isolasi, dg teknik ekstraksi dan adsorpsi. • pemurnian produk, dg teknik kromatografi, pengendapan, ultrafiltrasi dan elektroforesa. • pekerjaan akhir, dg teknik kristalisasi, pengeringan, pengendalian dan tindakan thd kemungkinan pengotoran lain.
Pengunduhan Produk Ekstraseluler Kultur fermentasi Ekstraksi Pemisahan bahan tak larut Sel dan bahan tak larut Fraksi larut Konsentrasi Produk Pemurnian Produk akhir
Pengunduhan Produk Tak Larut Gravitasi Mekanik Sentrifugasi Flokulasi Filtrasi Dialisa Pemisahan Sel Mikrobia dan Padatan lain Penyerapan permukaan Absorbsi Pertukaran ion Flotasi Listrik Elektroforesis Elektroosmosis Elektrodialisa • Filtrasi • Sentrifugasi • Presipitasi/Pengendapan
CONTOH KONDISI FERMENTASI
ANTIBIOTIK PENISILIN Faktor Penting Bahan Dasar Sumber C: laktosa, dll Sumber N: sodium nitrat Mineral: Mg. SO 4. 7 H 2 O Prekursor: asam fenil asetat Dhasilkan oleh P. Notatum P. Chrysogenum Cara Produksi Kondisi Fermentasi Suhu: 24 o. C p. H : 5 – 5, 75 Aerasi : 400 Cu/mnt Oktadekanal 3% Antifoem tributil sitrat Kultur Tenggelam Kultur Permukaan
- Slides: 88
