BAB I TEORI
1.1
Tujuan Percobaan Mahasis Mahasiswa wa mampu mampu memaham memahamii persiap persiapan an proses proses fermen fermentas tasi, i, mampu mampu
mengoperasikan fermentor dan mampu menghasilkan produk berbasis rekayasa bioproses. 1.2 Dasar Teori Fermen Fermentasi tasi berasal berasal dari dari bahasa bahasa latin latin yaitu yaitu “fevere” “fevere” artiny artinyaa mendid mendidih. ih. Peristiwa menididih sebenaranya timbul dari gelembung gelembung CO yang dihasilkan dari proses katabolisme karbohidrat. !emudian pengertian fermentasi berkembang dan didefenisikan sebagai proses penguraian yang dilakukan oleh mikroorganisme. Proses penguraian tidak hanya terhadap karbohidrat tetapi "uga terhad terhadap ap protei protein, n, lemak, lemak, asam, asam, dan "uga "uga #at #at lain lain karena karena adany adanyaa aktivi aktivitas tas en#im. $ampai sekarang defenisi fermentasi semakin berkembang bahkan kadang kadang sudah berbeda sama sekali baik ditin"au dari segi biokimia maupun dari segi mikrobiologi industri. %kan tetapi pengertian dasar dari pengertian fermentasi yang dapat diterima, baik dari segi biokimia maupun dari segi mikrobiologi yaitu sebagai proses penguraian& perubahan dari karbohidrat, protein, dan lemak oleh en#im en#im yang diikuti oleh pembentukan gas. 'adah 'adah tempat melakukan proses fermentasi disebut sebagai fermentor. Fermen Fermentasi tasi merupa merupakan kan proses proses peme(a peme(ahan han senya senyawa wa organi organik k men"ad men"adii senyawa senyawa sederhana yang melibatkan mikroorganisme. Fermen Fermentasi tasi merupa merupakan kan proses proses aktivi aktivitas tas mikro mikroba ba pada pada bahan bahan pangan pangan sehingga dihasilkan produk yang dikehendaki. Mikroba yang umumnya terlibat dalam dalam ferment fermentasi asi adalah adalah bakteri bakteri,, khamir khamir dan kapang kapang.. Contoh Contoh bakter bakterii yang yang digunakan dalam fermentasi adalah Acetobacter adalah Acetobacter xylinum pada xylinum pada pembuatan nata de (o(o, (o, Acetobacter aceti pada pada pembua pembuatan tan asam asetat. asetat. Contoh Contoh khamir khamir dalam dalam fermentasi adalah Saccharomyces cerevisiae dalam cerevisiae dalam pembuatan alkohol dan (ontoh kapang kapang adalah adalah Rhizopus sp pada pembua pembuatan tan tempe, tempe, Monascus purpureus purpureus pada
pembuatan angkak dan sebagainya. Fermentasi dapat dilakukan menggunakan kultur murni ataupun alami serta dengan kultur tunggal ataupun kultur (ampuran. Fermentasi menggunakan kultur alami umumnya dilakukan pada proses fermentasi tradisional yang memanfaatkan mikroorganisme yang ada di lingkungan. $alah satu (ontoh produk pangan yang dihasilkan dengan fermentasi alami adalah gatot dan growol yang dibuat dari singkong. )apai merupakan produk fermentasi tradisional yang diinokulasi dengan kultur (ampuran dengan "umlah dan "enis yang tidak diketahui sehingga hasilnya sering tidak stabil. *agi tapai yang bagus harus dikembangkan dari kultur murni. !ultur murni adalah mikroorganisme yang akan digunakan dalam fermentasi dengan sifat dan karakteristik yang diketahui dengan pasti sehingga produk yang dihasilkan memiliki stabilitas kualitas yang "elas +'arni, --/. Fermentasi dapat dilakukan se(ara aerobik ataupun anaerobik. *espirasi anaerobik atau fermentasi tidak menggunakan O sebagai akseptor elektron terakhir. $el0sel tertentu tidak mampu melalui seluruh proses respirasi seluler se(ara aerobik kerena sel0sel tersebut tidak memiliki mitokondria atau kekurangan en#im untuk memanfaatkan oksigen. 1eragam organisme menggunakan "alur fermentasi kebanyakan prokariotik dan protista. Organisme pelaku fermentasi disebut fermenter. 2ndustri fermentasi dalam pelaksanaan proses dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu mikroba, bahan baku, sifat proses, pilot plant dan faktor sosial ekonomi +'arni, --/. 3adi teknik fermentasi merupakan aplikasi dari metabolisme sel0sel mikroorganisme untuk mengubah bahan mentah men"adi berbagai ma(am produk yang bermanfaat. )eknik fermentasi merupakan teknik penting dalam proses bioteknologi tradisional dan modern. )eknik fermentasi tradisional menggunakan mikroorganisme untuk menghasilkan berbagai produk makanan seperti ke"u, yoghurt, ke(ap, tempe, roti, dan sake +%nonim, 44/.
)abel .. Produk, $ubstrat, dan Mikrooganisme yang digunakan Produk
$ubstrat
Mikroorganisme yang digunakan
%sam $itrat 5ula tebu, molase
1akteri Lactobacillus
%sam %setat
%ir kelapa
%(etoba(tera(eti
6n#im
)epung terigu
3amur %spergillus niger
!e(ap
!a(ang kedelai hitam
3amur %sperfillus ory#ae
!e"u
!epala susu
3amur Penicillium requeforti
On(om
1ungkil ka(ang tanah
3amur Neurosphora sitophila
*oti dan donat
)epung terigu
*agi Saccharomyces cereyiciae
)au(o
!a(ang kedelai
3amur Aspergillus oryzae
)empe
!a(ang kedelai yang 3amur Rhyzophus olygophorus sudah direbus
$ake
)epung
3amur Aspergillus oryzae
7oghurt
$usu
1akteri Lactobacillus bulgaricus dan Streptoccocus termophylus $umber 8 $mith, --9
)eknik fermentasi modern digunakan pada produksi metabolit primer seperti
asam sitrat dan asam asetat, produksi metabolit sekunder seperti
antibiotik, produksi en#im, antibodi monoklonal dan protein terapeutik seperti interferon dan interleukin +%nonim, 44/. 1.21
Sifat-sifat Proses $ifat0sifat proses harus disesuaikan dengan kondisi yang dibutuhkan
oleh mikrobia dalam melakukan metabolisme. !ondisi yang dibutuhkan dapat aerob ataupun anaerob, sedang bentuk medium dapat (air ataupun padat. :alam proses produksi dapat digunakan proses tertutup ataupun kontinyu. Perbedaan kondisi yang dibutuhkan oleh mikrobia dalam proses industri "uga akan menentukan 8 . tipe fermentor
1.2.2
. optimasi lingkungan8 p;, aerasi, suhu. kadar nutrien <. Ma(am alat bantu8 sumber air, listrik, kompresor dan sebagainya =. (ara pengunduhan hasil, sterilisasi. Jenis-jenis Fermentasi Fermentasi se(ara umum dibagi men"adi model utama yaitu fermentasi
media (air +liqui state fermentation! LS"# dan fermentasi media padat + soli state fermentation! SS"#. Fermentasi media (air diartikan sebagai fermentasi yang melibatkan air sebagai fase kontinu dari sistem pertumbuhan sel bersangkutan atau substrat baik sumber karbon maupun mineral terlarut atau suspensi sebagai partikel0partikel dalam fase (air. Fermentasi media padat merupakan proses fermentasi yang berlangsung dalam substrat tidak terlarut, namun mengandung air (ukup sekalipun tidak mengalir bebas. :alam fermentasi tradisional baik fermentasi medium (air maupun medium padat telah lama dikenal. Fermentasi (air dapat meliputi fermentasi minuman anggur dan alkohol, fermentasi asam (uka, yoghurt dan kefir. Fermentasi media padat seperti fermentasi tape, on(om dan ke(ap. a.
"ermentasi Meia $air !omponen tambahan yang diperlukan pada pakan generasi baru seringkali
disintesa se(ara terpisah dan ditambahkan kemudian. Cara yang digunakan biasanya dengan (ara fermentasi media (air, yang dapat mensitesa asam0asam amino, asam0asam organik, en#im0en#im dan beberapa vitamin. Fermentasi (air dengan teknik tradisional dilakukan pengadukan, berbeda dengan teknik fermentasi (air modern melibatkan Fermentor yang dilengkapi dengan pengaduk agar medium tetap homogen, aerasi, pengatur suhu +pendinginan dan pemanasan/ dan hasil lebih homogen dan dapat diprediksi. 3uga tidak dilakukan sterilisasi, namun pemanasan, perebusan dan pengukusan mematikan banyak mikroba kompetitor. b. "ermentasi Meia Paat Fermentasi media padat mempunyai kandungan nutrien per volume dapat lebih besar. Produksi protein mikroba untuk pakan ternak dari keseluruhan hasil fermentasi dapat dilakukan dengan pengeringan sel0sel mikroba dan sisa substrat +Prakasham, *. $. dkk, -->/.
1.2.
Fermentor
Fermentor adalah tempat berlangsungnya fermentasi dapat berupa alat dengan ker"a aerob ataupun anaerob. Fermentor yang digunakan dalam produksi etanol tergantung pada bahan baku yang digunakan. Penggunaan bahan baku gula dapat langsung dengan fermentor anaerob sedangkan "ika akan digunakan dengan bahan baku dari pati atau karbohidrat harus ada proses sakarifikasi +hidrolisis/ sehingga minimal ada dua fermentor +1ro(k, ). :. dkk, --/. 1.2.! a.
Proses Fermentasi Fermentasi dapat diartikan "uga sebagai suatu proses produksi energi
dalam sel dalam keadaan anaerobik +tanpa oksigen/. $e(ara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi terdapat definisi yang lebih "elas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal. 1eberapa (ontoh hasil fermentasi adalah etanol, asam laktat dan hidrogen. %kan tetapi beberapa komponen lain dapat "uga dihasilkan dari fermentasi seperti asam butirat dan aseton. *agi dikenal sebagai bahan yang umum digunakan dalam fermentasi untuk menghasilkan etanol dalam bir, anggur dan minuman beralkohol lainnya. *agi dimasukan kedalam *espirasi anaerobik dalam otot mamalia selama ker"a yang keras +yang tidak memiliki akseptor elektron eksternal/ dapat dikategorikan sebagai bentuk fermentasi. Fermentasi bahan pangan merupakan hasil kegiatan beberapa mikroorganisme. %gar proses fermentasi dapat ber"alan dengan baik, tentunya beberapa faktor yang mempengaruhi kegiatan dari mikroorganisme perlu pula diperhatikan +Prakasham, *. $. dkk, -->/. 1eberapa faktor utama yang mempengaruhi proses fermentasi adalah sebagai berikut. a.
$uhu $uhu sebagai salah satu faktor lingkungan terpenting yang mempengaruhi
dan menentukan ma(am organisme yang dominan selama fermentasi. b.
Oksigen
?dara atau oksigen selama proses fermentasi harus diatur sebaik mungkin untuk memperbanyak atau menghambat pertumbuhan mikroba tertentu. $etiap mikroba membutuhkan oksigen yang berbeda "umlahnya untuk pertumbuhan atau membentuk sel0sel baru dan untuk fermentasi. (.
$ubstrat $eperti halnya makhluk lain, mikroorganisme "uga membutuhkan suplai
makanan yang akan men"adi sumber energi dan menyediakan unsur0unsur kimia dasar untuk pertumbuhan sel. $ubstrat +makanan/ yang dibutuhkan oleh mikroba untuk kelangsungan hidupnya berhubungan erat dengan komposisi kimianya. d.
%ir Mikroorganisme tidak dapat tumbuh tanpa adanya air. %ir dalam substrat
yang digunakan untuk pertumbuhan mikroorganisme dinyatakan dalam istilah %ater activity atau aktivitas air +aw/, yaitu perbandingan antara tekanan uap dari larutan +P/ dengan tekanan uap air murni +P o/ pada suhu yang sama +Prakasham, *. $. dkk, -->/.
1.2."
#i$roba
Mikroba dalam industri fermentasi merupakan faktor utama, sehingga harus memenuhi syarat0syarat tertentu sebagai berikut. a.
Murni :alam proses0proses tertentu harus menggunakan biakan murni +dari satu
strain tertentu/ yang telah diketahui sifat0sifatnya. ?ntuk men"aga agar biakan tetap murni dalam proses maka kondisi lingkungan harus di"aga tetap steril. Penggunaan kultur tunggal mempunyai resiko yang tinggi karena kondisi harus optimum. ?ntuk mengurangi kegagalan dapat digunakan biakan (ampuran. !euntungan penggunaan biakan (ampuran adalah mengurangi resiko apabila mikroba yang lain tidak aktif melakukan fermentasi. :alam bidang pangan penggunaan biakan (ampuran dapat menghasilkan aroma yang spesifik.
b.
?nggul Pada kondisi
fermentasi yang
diberikan, mikroba
harus
mampu
menghasilkan perubahan0perubahan yang dikehendaki se(ara (epat dan hasil yang
besar. $ifat unggul mikroba untuk menghasilkan produk yang diinginkan harus dapat dipertahankan. ;al ini berkaitan dengan kondisi proses yang diharapkan, dimana kondisi proses harus sesuai dengan "enis mikroba yang digunakan. Proses rekayasa genetik dapat dilakukan untuk memperbaiki sifat "asad dengan maksud mempertinggi produk yang diharapkan dan mengurangi produk0produk ikutan. (. $tabil Pada kondisi proses dalam fermentor yang diberikan harus sesuai dengan "enis mikrobanya, mikroba harus mempunyai sifat0sifat yang tetap, tidak mengalami perubahan karena mutasi atau lingkungan. d. @on patogen Mikroba yang digunakan adalah bukan mikroba yang bukan patogen, patogen bagi manusia maupun hewan, ke(uali untuk produksi bahan kimia tertentu. 3ika digunakan mikroba patogen harus di"aga agar tidak menimbulkan reaksi samping pada lingkungan +$(hlegel, ;. 5, --=/. 1.2.% Fasa Pertumbu&an #i$roba Pertumbuhan kultur mikroba umumnya dapat digambarkan dalam suatu kurva pertumbuhan. Pertumbuhan mikroba dapat terbagi dalam beberapa tahap seperti berikut 8 b.
Fasa stationer adalah fasa yang disebut fasa adaptasi&lag phase. Pada saat
ini mikroba lebih berusaha menyesuaikan diri dengan lingkungan dan medium baru daripada tumbuh ataupun berkembang biak. Pada saat ini mikroba berusaha merombak materi0materi dalam medium agar dapat digunakan sebagai nutrisi untuk pertumbuhannya. 1ila dalam medium ada komponen yang tidak dikenal mikroba, mikroba akan memproduksi en#im ekstraselular untuk merombak komponen tersebut. Fasa ini "uga berlangsung seleksi. ;anya mikroba yang dapat men(erna nutrisi dalam medium untuk pertumbuhannya lah yang dapat bertahan hidup. (. Fasa pertumbuhan diper(epat adalah fasa dimana mikroba sudah dapat menggunakan nutrisi dalam medium fermentasinya. Pada fasa ini mikroba banyak tumbuh dan membelah diri sehingga "umlahnya meningkat dengan (epat. Fasa e&sponensial adalah akhir fasa pertumbuhan diper(epat. Pada fasa ini d. la"u pertumbuhan tetap pada la"u pertumbuhan maksimum +A maks/. @ilai Amaks ini
ditentukan oleh konstanta "enuh&saturasi substrat. @ilai A maks untuk setiap mikroba "uga tertentu pada masing0masing substrat. Fasa pertumbuhan diperlambat mulai pada akhir fasa eksponensial. e. Pertumbuhan mikroba yang begitu (epat tidak diimbangi tersedianya nutrisi yang (ukup. 3ika fermentasi dilakukan se(ara batch! dimana umpan nutrisi dimasukkan hanya pada awal proses fermentasi, pada waktu tertentu saat "umlah mikroba yang mengkonsumsi nutrisi tersebut melebihi daya dukung nutrisi akan ter"adi kekurangan nutrisi. ;al lain yang memperlambat pertumbuhan mikroba adalah ter"adinya inhibisi ataupun represi yang ter"adi karena terakumulasinya produk metabolit sekunder hasil aktifitas fermentasi mikroorganisme. Fasa kematian ter"adi apabila nutrisi sudah benar0benar tidak dapat lagi f. men(ukupi kebutuhan mikroorganisme. !eadaan ini diperparah oleh akumulasi produk metabolit primer dan sekunder yang tidak dipanen sehingga terus menginhibisi ataupun merepresi pertumbuhan sel mikroorganisme +Prakasham, *. $. dkk, -->/.
5ambar . !urva karakteristik pertumbuhan sel dalam medium fermentor %nalisis dari bagian exponential phase dari kurva pertumbuhan 5ambar . adalah bahwa sel tidak hanya bertambah dalam konsentrasinya tetapi "uga dalam la"u peningkatan konsentrasi sel. $el adalah katalis yang self'reproucing (autocatalysts/, yaitu dapat mengkatalisa reaksi dan "uga memproduksi katalis lebih banyak lagi. $aat "umlah sel meningkat, la"u bio reaksi "uga akan meningkat sehingga "ika kondisi lainnya tetap konstan maka la"u peningkatan "umlah sel +biomass/ akan tergantung dari konsentrasi sel yang ada dalam reaktor yang dituliskan sebagai berikut +)im Penyusun Babtek 22, 4
dC dt
= α ) .......................................................
+/
dimana adalah konsentrasi biomass dalam bioreaktor +g&l/ dan D adalah slope kurva pertumbuhan sel. 6kspresi proporsionalitas dalam persamaan +/ dapat ditambahkan dengan sebuah konstanta yang disebut specific gro%th rate +A/, sehingga men"adi8 dC dt
= µ ) ......................................................
+/
dimana A adalah la"u pertumbuhan specific gro%th rate. *oubling time +t:/ adalah ekspresi yang biasa dipakai mikrobiologis untuk menyatakan la"u pertumbuhan sel, yaitu waktu yang dibutuhkan oleh populasi sel untuk melipat gandakan dirinya. $elama exponensial phase, t: akan selalu konstan. ;ubungan antara oubling time dan specific gro%th rate dapat dituliskan sebagai berikut. ln
C C
=
µ t *
............................................................ +
3ika konsentrasi biomass ouble time dari men"adi selama oubling time, t: +E t t/ kemudian persamaan = men"adi8 ln = µ t * .............................................................. +=/ $ehingga hubungan antara oubling time dan specific gro%th rate diperoleh t *
=
ln
µ
................................................................... +G/
+iel koefisien biomass adalah berat rata0rata biomass dihasilkan per berat substrat digunakan. Contoh untuk kultur batch +)im Penyusun Babtek 22, 4
dimana E massa sel pada saat t 4 E massa sel awal $ E massa glukosa pada saat t $4 E massa glukosa awal
∆C ∆S
=
) − ) 4 S 4 − S
H..HH.......HHHHH... +9/
DAFTAR P'STA(A
%nonim.44.)eknikFermentasi, https,--sites.google.com-site-emoulbiologi-materi-bab'ii'''te&ni&'yang iguna&an'alam'biote&nologi-'/'te&ni&'fermentasi, diakses pada < Mei 4<. 1ro(k, ). :. I Madigan, M. ). --. 0iology of Microorganism Sixth eition. @ew 3ersey8 Prenti(e ;all 6nglewood Cliffs. !umalaningsih, $. I ;idayat, @. --G. Mi&robiologi 1asil Pertanian. Malang8 2!2P Malang. Prakasham, *. $. I *amakrishna, $. J. -->. Microbial fermentations %ith immobilize cells! Lecture 1anouts. 2ndia8 1io(hemi(al and 6nvironmental 6ngineering, 2ndian 2nstitute of Chemi(al )e(hnology. $(hlegel, ;. 5. --=. Mi&robiologi 2mum. 3isi 4eenam. 7ogyakarta8 5ad"ah Mada ?niversity Press. )im Penyusun. 4. Penuntun Pra&ti&um Laboratorium 5e&ni& 4imia 66 . Pekanbaru8 Program $tudi $ )eknik !imia Fakultas )eknik ?niversitas *iau. 'arni. --. )eknik 2nokulasi Mikroorganisme ! http,--%%%.scrib.com-te&ni&' ino&ulasi'mi&roorganisme--/7898/:; ! diakses pada < Mei 4<.
