Fermentasi

1. Fermentasi

2. Fermentasi Etiologi : bhs Latin ‘fervere’ (mendidihkan). Mula2 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.

3. Pengertian lain 1. Proses ygmenggunakansuatusenyawa (substrat) menjadisenyawalain (produk) olehadanyaaktivitasmikroba 2. Suatu proses ygmenghasilkanenergi dg melibatkanmolekul organic baiksebagai donor maupunakseptorelektron 3. Suatu proses ygmelibatkankulturmikrobabaikygbersifataerobmaupunanaerob 4. proses pembusukan bahan makanan 5. suatukulturmikrobadalamkondisi optimum untuk menghasilkanprodukberupametabolit-metabolit, enzim, atauproduklain (sepertibiomassa)

4. Penggolongan Proses Fermentasi PENGGOLONGAN BERDASARKAN CARA OPERASI A. Fermentasicair I. Submerged fermentation (fermentasibawahpermukaan): • Batch process • Fed-batch (gabungansistem batch dg kontinnyu) • Continuous process (proses sinambung/kontinyu) II. Surface fermentation (fermentasipermukaan), → misalpadapembuatannata de coco B. Solid State Fermentation/ fermentasi padat misalpadapembuatan tape, oncom, kojidll.

5. PENGGOLONGAN PRODUKSI FERMENTASI • BERDASARKAN LETAK PRODUKSI • 􀂄 produkintraseluler • 􀂄 produkekstraseluler • BERDASARKAN PERAN DALAM METABOLISME • 􀂄 metabolit primer • 􀂄 metabolitsekunder

7. PRODUK FERMENTASI KOMERSIL • 1. Fermentasi dengan produk BIOMASSA (sel mikroba) : • SCP (Spirulina, Sancorella) • sporaPenicilliumroquefortii(keju) • Rhizobium sp.(simbiosis dg tan Leguminoceae) • Bakteriasamlaktat (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 • modifikasipengendaliankondisilingkungan (mis, • pemberianinduserpadakultur) • Enzimmikrobadapatdibedakanatas: • - enzimekstrasel - enzimkonstitutif • - enzimintrasel- enziminduktif

8. 3. FermentasidenganprodukMETABOLIT mikroba : • metabolitprimer, senyawaantaraygdisintesis • olehaktivitasselpdfasepertumbuhan(trofofase) • metabolit sekunder, senyawa yang disintesis sel • setelahfasepertumbuhan(idiofase) • 4. FermentasidenganprodukhasilBIOKONVERSI • melaluimodifikasisuatusenyawaygditambahkan • kedalam medium fermentasiuntukmenghasilkan • senyawa lain. • Contoh : progesterone → 11- α hidroksiprogesterone

11. Improving Production in Fermentation • Culture medium manipulation • Culture condition manipulation • Strain improvement • Adding precursor molecules • Improving product recovery

12. tahapanbioproses • pemilihanjenismikrobia • Formulasi media, • Preparasiinokulum, • Proses fermentasi • kontrol proses • Pemanenanproduk:pemisahan, pemekatan, pemurnian

13. Proses fermentasi memerlukan komponen sbb : a) Kulturmurnidrorganismeterpilih dg jumlahygsesuaidankondisfifisiologis yang baik; b) disterilisasi, hati-hatithdkomposisi medium pertumbuhanorganisme; c) Ada seed fermenter, fermenter produksi mini sebagaiinokulumutkmenginisiasi proses dlam fermenter utama; d) Fermenter produksi, berukuranbesar, e) Peralatanutk: i) mengetahuimedium kulturtetapdlmkeadaan steady state,  ii) pemisahansel,  iii) koleksiseltanpasupernatan, iv) purifikasiproduk, dan v) perlakuanpanen.

14. Fermenter

15. 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

16. 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.

17. Syarat Fermenter : Kemampuanapayagharusdipenuhi fermenter ? Konsentrasibiomassaharustetaptinggi Mampumempertahankankondisi sterile Konsumsitenaga/energiefisien Agitasiefektif Mampumemindahkanpanas Mudahdibersihkan Ada fasilitas sampling

18. Ada 3 kelompokbioreaktorygdigunakandalamproduksiindustri : - non-stirred, non-aerated (Beer and wine) - non-stirred, aerated (Biomass, eg Protein) - stirred, aerated (Antibiotics)

19. Stirred Tank Reactor

20. STR - Control systems • Ada sistem agitator • Ada sistempenghantaranoksigen • Ada sistemkontrolbuih • Ada sistemkontroltemperatur • Ada sistemkontrol pH • Ada bagianuntuk Sampling • Ada sistemutkpembersighandansterilisasi. • Ada bagian (pipa) utkpengosonganreaktor.

21. Dual use of fermentors Instrumentation of a fermentor Use of fermentors • RPM • Qair • Pressure • CO2,O2 ? • Gas balance • OD? • pH (controlled) • Temperature • Starters  milk, silage, … • Baker yeast  bread • Alcoholic beverages • Lactic acid/organic acids (citric) • Antibiotics • Vaccines • Monoclonal antibodies • Recombinant proteins (or toxin ?) • Waste water treatment • Bioleaching

23. Tahaptransferingproses industridariskalalaboratoriumkefermentorkomersial • Shake flash Experiments • Fermentorskala Lab (5-10 L) • Fermentorskala Pilot (300-3000 L) • FermentorKomersial (10,000-500,000 L)

24. Pengembangan Proses Laboratorium Ekxperimen Fermentor Skala Lab Batch process Fed-batch process Continuous process Semi-continuous process

25. Ada 2 Tipe Sistem Fermentasi : • (di lab) SistemTertutup :Tidakadapenambahannutrienlagisetelahinokulasi (kecualioksigenutkygaerob)Pertumbuhanberhentisetelahbbrpsaat shake flask agar plate Sistem Terbuka :Nutrient secarakontinyudimasukkansetelahinokulasi, pertumbuhanakanberlangsungterussepanjang medium segar (fresh medium) ditambahkan.mikroorganisme dan nutrien secara koninyu masuk dan keluar dari fermenter

26. TipeSistemFermentasi • 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.

27. Biotechnological processes of growing microorganisms in a bioreactor

28. Batch Culture • Merupakansuatusistemtertutup • Merupakanoperasireaktorygsederhana. • bioreaktordiisi dg medium fermentasidaninokulumselanjutnyadibiarkanutkmelakukanproses hinggasaatpemanenan. • Ketikafermentasisudahberakhir, hasilfermentasidipanendandilakukan downstream processing. Bioreaktordibersihkan, disterilkan, diisi,dandiinokulasikembali, selanjutnya proses fermentasiberjalanlagi.

29. Batch Culture • merupakanproses ygdinamikdimanasistemtidakpernahmengalami steady state • komponen media sterildimasukkanpdawalfermentasi dg tidakadapenambahanmakananlagisetelahinokulasi. • laju pertumbuhan mikroorganisme akan berlangsung terus sehingga mencapai titik nol seiring dengan semakin menurunnya nutrien atau terakumulasinya produk toksik.

30. tahappertumbuhandlmsistem batch: • Lag phase • Exponential phase • Stationary phase • Death phase

32. Keuntungan Sistem Batch • Sistem sederhana • sekali sterilisasi dan tidak memungkinkan utk kontaminasi • biaya peralatan lebih rendah • Produksi seragam - consistency

33. Kerugian Sistem Batch Terdapat lag time Terbentuk Toxin Utkproduk-produkpotensial, produksinyaterbatas

34. Continuous Culture • proses fermentasiberkelanjutandidisainsedemikianrupashgpemasukannutrisidikontroldanberlangsungsecarakonstan. • Tahapawal proses sama dg kulturbatch, namunketikakultursudahmencapaitahapeksponensial, makadptdiperpanjangterussampaitakterbatas dg secarakontinyumenambahkan medium segarkedalamsistem.

35. Continuous Fermentation • Bioreaktorsecaraterusmenerus di stirerdan volume konstanselaludipertahankandengancara medium barusecarakonstanselaluditambahkandanhasilfermentasijugasecarakonstandipanensebanding dg volume ygditambahkan. • Keadaan steady-state akanselalutercapai, dimanalajupertumbuhanmikrobiaakansamadenganjumlahmikrobia yang digantikandarifermentor. Proporsionaldenganlajupelarutanoleh medium.

37. Continuous Culture • Merupakansistemygterbuka • Medium barusecarakonstandimasukkan, dan medium lama dikeluarkan • Memungkinkanterjadipertukaran gas • Memungkinkanutkpertumbuhandanproduksiyg lama • Organismeygmemproduksidptdipindahkanbersamaan dg medium lama

38. Continuous Culture • Sesuaiutkproduksisenyawaygdisekresikanorganismekedalam medium • Memungkinkanutkmemonitorsecarakontinyudanmemodifikasilingkungankultur • Bermanfaatapabilaproduksimolekulygtidakperludiaturulang

39. Keuntungan continuous culture • Keadaan steady state mudahdikontrol • Lajukonsumsinutriendanlajupemanenandapatdipertahankanpadakondisi optimal. • Selektivitastinggidanmendukungperkembangbiakanmikroorganismedenganadaptasiterbaikdalamkultur.

40. Kelemahan sistem continuous • Pengoperasiannya mahal • Lebih sulit utk mempertahankan sterilitasnya • Little value, apabila produknya tdk disekresikan atau dihasilkan setelah periode waktu tertentu yang ditentukan

41. FED-BATCH CULTURE • Merupakanmodifikasisistem batch culture. • fresh medium secarakontinyudanperiodikditambahkan, tanpamenghilangkan/ mengeluarkan medium kultursampaimencapai volume tertentu. • Fermentordidisainutkdptmengakomodasipeningkatanvoliume medium. Padasisteminitahappertumbuhanadalah steady state semu. • Padasisteminidptdicapaitingkat proses danprodukygcukupbesar

42. FED-BATCH CULTURE • Kapasitasaerasikulturdalamfermentordptdipertahankan. • Dapatdihindariefekpenghambatandarikomponen medium spt : cepatnyakonsumsikarbon, nitrogen, ataufosfat; • Dapatdihindariefektoksikdarikomponen medium; • Dptdigunakanutkmenyediakantingkatkebutuhannutrisiygterbatasutk strain auxotrophic.

43. FED-BATCH CULTURE • Produksiragi roti • Produksipenisilin

44. PemilihanMikroorganisme

45. Pemilihanmikroorganisme • TeknologiFermentasimerupakanteknologiuntukmenumbuhkanseldalamskalabesar dg efisiensiygtinggitermasukjuga proses-proses mendapatkanproduknya. • Proses utama yang berlangsungsecaraaktualdilakukanolehmikroorganisme, yang biasanyadiistilahkansebagaibiocatalysis • Mikroorganisme (biokatalis) bertindaksebagai‘mesin’ utamabaikuntukmenghasilkanprodukmaupunmelakukantransformasikimia

47. Keuntungan Menggunakan Mikroorganisme • Memilikilajupertumbuhan yang sangatcepat. • Mudahberadaptasi • Dpt. menggunakanproduksisasebagaisubstratnya (sisa proses produksi yang lain ataulimbahpertanian, rumahtangga, dll) • Dapatditumbuhkansecaraterusmenerus (continuous), dalamskalabesartidakpernahdihentikandantidakperludisterilisasiulang. (memilikikeuntunganekonomi) • Memilikikandungan protein tinggi

48. Keuntungan Menggunakan Mikroorganisme • Mampumenghasilkanproduk yang tinggidari proses yang mungkinkecil • Secaragenetikdapatdimanipulasi • Biasanyamenghasilkanproduk yang tidaktoksikataulimbah yang tidaktoksik • Karenamengunakanorganismehidup, makatemperatur yang diperlukanlebihrendahdibandingkandenganapabilaprosesnyasecarakimia.

49. SYARAT MIKROORGANISME • Dalamteknologifermentasi, mikroorganismemenentukanberhasilataugagalnya proses bioteknologi. • Harusdipilihmikroorganismeygdapatmenghasilkanprodukataumenjalankan proses transformasisesuaiygdiinginkan • Tahapawaldalammerancang proses fermentasiadalahmendapatkanmikroorganisme yang sesuaidenganmemilih yang paling potensialutkdiaplikasikandalamindustri.

50. PemilihanMikroorganisme • Mampumenghasilkanproduk & mutuprodukygtinggi / komersial • Secaragenetikmikroorganismeharusstabil • Strain harusdapatdibuatkulturmurni, bebasdarimikroorganisme lain danphage • Strain harusdpttumbuhseragamdancepatsetelahinokulasikedalamfermentor. Harusdihindarikemungkinantjdreaksidenganperalatan • Mudah di-scale up • Strain harusdptmenghasilkanproduksesuaikeinginandalamperiodewaktutertentu (mis. 3 hari), bebasdariproduktoksikataupecahnya sel.