FERMENTASI Universitas Dr Soetomo Surabaya 2017 FERMENTASI Dari

FERMENTASI Universitas Dr. Soetomo Surabaya 2017

FERMENTASI • Dari bahasa LATIN ferveo = mendidih krn timbulnya gelembung-gelembung gas CO 2 • Istilah fermentum khamir/ragi yang dipakai sebagai inokulum/ starter pada fermentasi PENGERTIAN FERMENTASI Ø Perubahan kimiawi secara oksidatif oleh mikroba dlm substrat sbg produksi hasil pemecahannya berupa senyawa yang lebih kompleks drpd CO 2 Ø Proses terjadinya perubahan kimia pada substrat organik oleh aktivitas enzim yang dihasilkan mikroba.

JENIS FERMENTASI 1. SOLID SATATE FERMENTATION (SSF) 2. SUBMERGED FERMENTATION (SMF)

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

SSF SMF Mikroba Kapang Bakteri, yeast Kadar air Kurang dari 40% 50 -75% p. H Tidak stabil Stabil (ada sistem kontrol) Suhu Terjadi akumulasi panas penurunan aktivitas Tidak terjadi akumulasi panas Substrat Limbah agroindustri (ampas Substrat murni tebu, dedak) / mentah Penambahan nutrisi Tidak ada Pretreatment Pengecilan ukuran, Tanpa pretreatment hidrolisis enzim/kimiawi, pemanasan (pre-degradasi) Ada penambahan nutrisi

BIOREAKTOR q 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 1. Media padat, bagian dalam fermentor memiliki kompartemen yang tersusun vertikal (bertingkat ke bawah) 2. Tidak memiliki alat pengatur p. H 3. Fermentor cukup sederhana 1. Media cair, bagian dalam fermentor tidak memiliki kompartemen 2. Seluruh variabel fermentasi dapat dideteksi dan diatur secara otomatis 3. Fermentor cukup rumit karena perlengkapan pengatur fermentasi cukup kompleks

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

KEKURANGAN SSF Ø Ø Ø 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 Ø Proses downstream sulit untuk dilakukan

KELEBIHAN Sm. F ü Mudah ditumbuhkan ü Meningkatkan pertumbuhan bakteri ü Mudah untuk dilakukan scale-up ü Mudah dilakukan agitasi

KEKURANGAN Sm. F Ø Ø 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. Ø Terjadi represi katabolit (catabolite repression)

RUANG LINGKUP PROSES FERMENTASI Fermentasi yang menghasilkan Sel (Biomas) sebagai Produk Contoh : 1. Yeast 2. Single Cell Protein (SCP) Fermentasi yang memproduksi Enzim 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 15%

Cont……… • Pada kultur yang kontinyu dgn substrat hidrokarbon atau alcohol dibutuhkan Conc • Untuk menjaga p. H 3. 5 – 4. 5 digunakan ammonia anhydrous (NH 3) dengan asam phospat (H 3 PO 4)

2. Single Cell Protein (SCP) ALGAE BAKTERI v dapat ditumbuhakan secara fotosintetis / heterotroph v penumbuhan fotosintetis melibatkan ilumniasi / sinar matahari dan CO 2 v Penumbuhan heterotroph terjadi dalam kondisi gelap dengan sumber karbon organic dan sumber 2 energy v. 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 • p. H yang sesuai 5 -7

Fermentasi yang menghasilkan Ensim

a. Ensim Amylase Ø berasal dari jamur ØDigunakan pada industry cereal Ø berfungsi pemecah rantai panjang karbohidrat seperti pati maltose, glukosa, maltoriosa, maltotetraosa, dan maltohesaosa Øα-amylase secara acak memecah ikatan α-(1 -4) glycoside dari amilosa dekstrin , molekul 2 maltose atau glukosa Ø β-amylase mengkatalisis hidrolisa ikatan α-1, 4 glycoside tetapi hanya dari gula non reduksi untuk menghasilkan molekul 2 maltosa Ø ensim Glucoamylase memecah ikatan α-(1 -4) dan α-(1 -6) glycoside dari amylose dan amylopectin glukosa

b. Ensim Pectinase Ø berasal dari jamur Ø digunakan pada coffee bean fermentation pd pembuatan kopi Ø peran utama dalam pembusukan sayur dan buah Ø bisa menaikan yield juice dan padatan dari bahan tanaman ØMenurunkan viskositas dari konsentrat dan modifikasi pengenceran struktur pectic yg membantu proses sedimentasi, klarifikasi dan filtrasi

c. Ensim Lactase Ø berasal dari Yeast Ø digunakan untuk produksi konsentrat milk Ø dapat memecah laktosa glukosa dan galaktosa Ø Memiliki tingkat kemanisan kira-kira 0. 8 relative sukrosa Ø 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 Ø berasal dari Bakteri Ø digunakan untuk detergen laundry Ø banyak digunakan dalam industry susu terutama renin, pepsin dan chimosin Ø Renin umumnya berfungsi sebagai protease Memecah ikatan peptide di Casein Ø Casein berda pada susu segar atau susu skim segar

Fermentasi yang menghasilkan Metabolisme Mikroba

Ø primary metabolite diproduksi selama fase pertumbuhan keseluruhan Ø Secondary metabolite diproduksi selama fase akhir log dan fase stationer ØProduk Secondary metabolite merupakan senyawa kimia dalam mikroorganisme yg tidak secara langsung berhubungan dengan pertumbuhan normal, pengembangan dan reproduksi M. O

1. Aceton / Butanol ØM. o yg digunakan u/ memproduksi campuran Aceton /butanol adalah : Clostridium Sspesies ( C. butylicum, C. butyricum, C. toanum, , C. acetobutylicum) Ø menghasilkan spora viable u/ beberapa tahun Ø pembuatannya mengubah glukosa acetone dan butanol melalui Acetoacetyl-Co. A. Ø Sumber karbon selain Glukosa Sumber karbohidrat (jagung molase) Ø Sumber karbon lain yg sudah digunakan wheat, nasi, kentang dan beet molase

Cont……. . Ø Butanol dapat mengakibatkan inhibisi metabolism, shg u/ mendapatkan pati, konsntrasi awal adalah 68 % (b/k jagung) Ø Jika molase yg digunakan, maka kadar gula adl 5. 57. 5% Øp. H medium dijaga pada 5. 6 -6. 0

2. Asam Amino v BB untuk produksi AA adalah molasses, cane sugar, (NH 4)2 SO 4 / urea dan komponen lain penting untuk pertumbuhan v proses merupakan fermentasi “SMF” aerobic v Pada produksi L-asam glutamate, beberapa jenis karbon ( glukosa, fruktosa, sukrossa, maltose, ribose) dapat digunakan u/ strain Corynebacterium, Brevibacterium, Microbacterium & Arthbacterium. v Krn Molekul Asam Glutamat mengandung 9. 5% Nitrogen, shg suplai yg cukup dari sumber nitrogen sangat penting v contoh Ammonium chloride, Ammonium sulfat, urea dan gas ammonia

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

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 Ø M. O yg diisolasi dari upaya pembuatan synthetic gas, ditemukan di limbah peternakan ayam produksi etanol Ø strain yg ditemukan ditumbuhkan dapat digunakan u/ produksi etanol. 6 CO + 3 H 2 O CH 3 CH 2 OH + 4 CO 2 6 H 2 + 2 CO 2 CH 3 CH 2 OH + 3 H 2 O Ø yield hasil reaksi sekitar 25 g/l Et. OH, yg dapat diperoleh sebagai anhydrous ethanol dengan distilasi & adsorpsi

• Reaksi karbonmonoksida lebih produktif untuk produksi Et. OH • Selama produksi Et. OH, Asam Asetat juga dihasilkan dengan Yield 5 g/l. 4 CO + 2 H 2 O CH 3 COOH +2 CO 2 2 H 2 + 4 CO 2 CH 3 COOH + 2 H 2 O

Fermentasi yang memodifikasi Senyawa

Steroid Ø M. O yg relevan u/ mentransformasi steroid misalnya alkaligenes faecalis dengan substrat asam sitrat Ø S. aureus dengan substrat progesterone Ø Setelah M. O ditumbuhkan, sejumlah steroid dalam solven yg sesuai (Et. OH, Aceton, propylene glycol) Ø periode transformasi 24 -48 jam Ø Setelah transformasi, biomas dipisahkan dari cairan fermentasi & diekstraksi dgn menggunakan pelarut yg sesuai (methylene chloride, ethylene chloride / chloroform) Ø beberapa jenis transformasi adlh L-tartaric acid dr asam nukleat, L-maleic acid dr asam furmarat, isomerisasi dr Glukosa fruktosa

SISTEM FERMENTASI 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 ü Sumber Karbon Yg Umum : Glukosa, Molase, bahkan etanol ü Produk samping yg umum : biomas, karbondioksida, hidrokarbon (etanol)

Diagram Proses Fermentasi . Persiapan media Sterilisasi media O 2, CO 2, N 2 Proses Fermentasi Kompresi Udara Sterilisasi Udara Pengambilan Produk & Pemurnian