590 likes | 890 Views
I. TEKNOLOGI FERMENTASI. 1. Pengertian Teknologi Fermentasi. Fermentasi “fervere” (bhs Latin) artinya mendidihkan yaitu menggambarkan penampakan dari sari anggur yang terfermentasi.
E N D
I. TEKNOLOGI FERMENTASI 1. Pengertian Teknologi Fermentasi • Fermentasi “fervere” (bhs Latin) artinya mendidihkan yaitu menggambarkan penampakan dari sari anggur yang terfermentasi. • Fermentasi disimilasi anaerobik senyawa-senyawa organik yang disebabkan oleh aktivitas mikroorganisme atau ekstrak dari sel-sel tersebut. Contoh : pembentukan alkohol, as. Laktat dan atibiotik • Teknologi fermentasi upaya manusia untuk mencapai kondisi optimal agar proses fermentasi dapat memperoleh hasil yang maksimal serta sesuai dengan target yang direncanakan secara kualitatif ataupun kuantitatif. • Bahan utama fermentasi : • Mikroorganisme • Enzim • Medium/subtrat • Fermentor/bioreaktor
2. Proses Fermentasi Istilah – istilah dalam proses fermentasi : Pertumbuhan pertambahan secara mikroindividu atau seluruh kelompok mikroorganisme yang hidup bersama sebagai satu koloni/biakan Asimilasi aktivitas transformasi sebagai komponen dari subtrat kedalam sel yang berfungsi memberikan bahan-bahan yang diperlukan bagi pertumbuhan dan aktivitas hidup Biosintesa pembentukan senyawa kompleks di dalam sel dalam jumlah yang lebih besar dari kebutuhan pemeliharaan aktivitas hidup normal. Contoh : vitamin, enzim dll Desimilasi terjadi di dalam sel dan hasilnya dilepaskan ke media lingkungan. Contoh : karbohidrat, as. Amino Reaksi Fermentasi : C6H12O6 2CH3CHOHCOOH + 22,5 kkal (as. laktat)
Energi hanya sebagian dipecah Energi yg dibebaskan digunakan untuk : • Asimilasi • Biosintesa • Mempetahankan aktivitas hidup • Keluar dalam bentuk panas • Proses Fermentasi proses pemecahan karbohidrat dan asam amino secara anaerob dan aerob • Pemecahan Karbohidrat Tahap I Polisakarida heksosa/pentosa • Tahap II Gikolisis (meyerhof embden) Pemecahan heksosa as. piruvat
Tahapan Glikolisis Gambar : Skema Glikolisis (meyerhof embden) Cat tahap-tahap proses glikolisis terjadi pada katabolisme anaerobik maupun aerobik
Oksidasi dekarboksilasi Co-enzyma • Katabolisme Aerobik As. Piruvat as. Asetat acetyl-CoA siklus kreb • Katabolisme anaerobik As. Piruvat asam laktat streptococcus DPN DPNH + H+
3. Medium Fermentasi • Fungsi Medium Fermentasi menyediakan semua nutrisi yang dibutuhkan oleh mikroorganisme untuk memperoleh energi, pembentukan sel dan • Sifat Fisik Medium : biosintesis produk-produk metabolisme. • Medium padat • Medium Cair Proses fermentasi dilakukan melalui : Kultur Permukaan medium padat, semi padat dan cair Kultur terendam medium cair
Contoh : Proses fermentasi Buih (masalah) protein dalam medium • Komponen Medium • Air (deionisasi, penambahan garam, pengaturan pH) • Karbon (molase, serealia, kentang) • Nitrogen (senyawa anorganik : garam amonia & nitrat) (senyawa organik : as. Amino, urea, protein) • Mineral (magnesium, phosphat, kalium sulfur, Calcium, Chlorin) • Vitamin (Vit. C) • Buffer • Anti buih
Sumber C Sumber N Cara mengatasi : • Pemurnian parsial terhadap nutrien yg kompleks • Modifikasi pH, suhu, aerasi & agitasi • Penambahan anti buih (alkohol, ester) • Medium fermentasi dapat berupa : • Medium sintesis medium lab. • Medium kasar 1. Molase 2. Serealia 3. Pati 4. Glukosa/sukrosa 5. Garam 6. Urea 7. Nitrat 8. Tepung kedelai
Formulasi medium Formulasi medium penting untuk : Perencanaan penelitian laboratorium Pengembangan skala pilot plan Proses industri fermentasi Komponen medium haruslah memenuhi kebutuhan elemen dasar untuk pembentukan biomssa dan produk fermentasi serta dapat menyediakan energi yang cukup untuk biosintesis & pemeliharaan sel. Dasar perhitungan ===> pers. Stoichiometri pertumbuhan sel dan pembentukan produk yang dinyatakan secara kuantitatif; yaitu : + + ===> + + + Sumber karbon Sumber nitrogen Kebut. lain Sel Produk CO2 H2O
Tabel : Komposisi elemen bakteri, khamir & kapang (%berat kering)
Sterilisasi medium Sterilisasi medium perlu karena : 1. Medium mungkin mengandung sel vegetatif dan spora dari komponen medium 2. Air yang digunakan tidak bersih Faktor-faktor yang mempengaruhi keberhasilan sterilisasi : 1. Jumlah dan jenis mikroorganisme dalam medium 2. Morfologi mikroorganisme 3. Komposisi medium fermentasi 4. pH 5. Ukuran partikel tersuspensi Metode sterilisasi medium 1. Sterilisasi sistem “Batch” a. Injeksi uap panas ke dalam mantel fermentor atau coil yang terdapat di bagian dalam fermentor b. Injeksi uap panas langsung ke dalam larutan amedium 2. Sterilisasi sistem kontinyu : a. “Continuous injector flash cooler” b. “Continuous plate heat exchange” Sistem kontinyu : - Penggunaan energi lebih tinggi - Kerusakan medium dapat dihindari - Suhu yang digunakan 140oC, waktu 30-120 detik
inokulasi 4. Tahapan Proses Fermentasi • Media fermentasi • Penyiapan starter/kultur : a. Regenerasi starter/kultur dari agar miring : Kultur segar tercapai pertumbuhan optimum b. Kultur/starter pada media cair : Tujuan untuk mengadakan adaptasi kultur/starter dengan medium yang digunakan Jumlah inokulum 10% dari volume fermentasi • Sterilisasi : Tujuan mematikan mikroorganisme pencemar atau yang tidak dikehendaki sehingga proses fermentasi berjalan sempurna. • Pemanenan/pemurnian hasil
Mempersulit pengumpulan akhir Produk fermentasi dapat berupa : Larutan encer (konsentrasi ) yg mengandung mikroorganisme Bagian sel Komponen medium larut dan tidak larut Metabolik lainnya Tahapan pengumpulan akhir (produk) adalah : 1. Sentrifusi/filtrasi 2. Fraksinasi/ekstraksi 3. Pemurnian produk dengan pengendapan fraksinasi menggunakan teknik kromatografi.
II. MIKROORGANISME DAN KULTUR FERMENTASI • Kriteria Mikroorganisme Industri Fermentasi Ciri-Ciri Strain Mikroorganisme Unggul : 1. Strain unggul 2. Secara genetik, strain stabil 3. Strain dapat memproduksi sel vegetatif, spora atau unit-unit reproduksi lainnya 4. Strain mampu tumbuh dg cepat dan kuat saat diinokulasi 5. Strain dapat menghasilkan produk yg diinginkan dalam jangka waktu yg pendek dan tidak menghasilkan produk lain yg beracun 6. Strain mampu melindungi diri dari kontaminasi 7. Strain mampu disimpan dalam jangka waktu lama 8. Strain dapat menerima perubahan oleh bahan-bahan mutagenik lainnya. 2. Sumber Mikroorganisme Industri Fermentasi 1. Diisolasi dari alam (tanah, air, tanaman, dll) 2. Koleksi kultur Kultur siap dipakai Dikelola oleh badan penelitian fermentasi/swasta Hasilnya merupakan hasil isolasi secara terus-menerus
3. Isolasi dan Identifikasi mikroorganisme ISOLASI • Cara-cara isolasi : 1. Isolasi pada agara cawan : Metode Gores Metode agar tuang 2. Isolasi dalam medium cair 3. Isolasi sel tunggal 4. Isolasi pada media seleksi-kultur diperkaya : • Kultur campuran Isolat IDENTIFIKASI
Kunci Identifikasi Jenis Bakteri Menurut Shewan et al. (1970)
Identifikasi Bakteri • Kultur dimurnikan • Ditetapkan apakah organisme bersifat fototropik, aerobik atau anaerobik. • Diamati sifat morfologinya dan ada tidaknya endospora • Pengamatan gram • Pengamatan motilitas • Pengamatan pigmen • Pengujian kebutuhan akan oksigen • Jika organisme bersifat kimoheterotrof, dilakukan pengujian disimilasi glukosa/gula sederhana lainnya • Diidentifikasi dengan “Bergey’s Manual” isolat dalam grup • Pengujian lanjutan untuk membedakan di antara jenis • Pengujian lengkap untuk membedakan di antara spesies
Identifikasi Bakteri Identifikasi Kapang • Kultur dimurnikan • Ditetapkan apakah organisme bersifat fototropik, aerobik atau anaerobik. • Diamati sifat morfologinya dan ada tidaknya endospora • Pengamatan gram • Pengamatan motilitas • Pengamatan pigmen • Pengujian kebutuhan akan oksigen • Jika organisme bersifat kimoheterotrof, dilakukan pengujian disimilasi glukosa/gula sederhana lainnya • Diidentifikasi dengan “Bergey’s Manual” isolat dalam grup • Pengujian lanjutan untuk membedakan di antara jenis • Pengujian lengkap untuk membedakan di antara spesies 1. Agar cawan Metode goresan Metode tuang 2. “ Slide Culture” Letakkan selembar kertas filter berukuran 7x7 cm2 di dasar cawan patri Tuangkan 5-10 ml gliserol 10 % keatas kertas tersebut Letakkan batang gelas berbentuk huruf U Di atas batang gelas dudukkan gelas obyek dan disampingnya gelas penutup steril Secara aseptis tuangkan cairan PDA keatas gelas obyek Inokulasikan spora kapang diatas obyek gelas Inkubasikan pada suhu kamar (32oC selama 3-7 hari) Amati menggunakan mikroskop
Cara Identifikasi Kapang Secara mikroskopik, preparat kapang diamati morfologinya yaitu : 1. Hifa septat atau nonseptat 2. Miselium terang/keruh 3. Miselium berwarna/tidak berwarna 4. Memproduksi/tidak memproduksi spora seksual 5. Ciri-ciri kepala pembawa spora 7. Penampakan sporangiofora / konidiofora 8. Adanya struktur/spora spesifik (stolon, rhizoid atau “foot sel”)
Contoh Kunci Identifikasi Kapang • Ordo Mucorales • Sifat umum : - hifa nonseptat - spora aseksual adalah sporangiospora I. Mempunyai sporangiola -------------------------------- Thamnidium II. Tidak membentuk sporangiola A. Membentuk Rhizoid dan stolon, sporangiofora muncul pada noda ---------- Rhizopus B. Tidak memiliki Rhizoid/stolon, Suspensor zigospora besar --------- -------- Mucor
Caranya : • “slide culture” • Metode Gores • Pewarnaan • Mikroskop Caranya : Medium cair + Glukosa, dll + Tabung Durham Pos - ada gas - warna berubah Identifikasi Khamir 1. Sifat morfologi : Reproduksi vegetatif Bentuk sel vegetatif 2. Sifat kultur : Karakteristik pertumbuhan dlm medium cair Karakteristik pertumbuhan dlm medium padat 3. Sifat fisiologi : Penggunaan senyawa karbon Penggunaan Nitrogen Pertumbuhan dlm medium tanpa vitamin Pertumbuhan dlm medium dg tekanan osmotik Pertumbuhan pada suhu Produksi asam Produksi senyawa ekstraseluler Hidrolisis urea Pemecah lemak Pembentuk pigmen
4. Reproduksi seksual : Karakteristik askus dan askospora Infertilitas pada khamir Ascomycetes Contoh : Kunci Identifikasi 1. Reprod. veg. dg pembentukan septat & pembelahan --- Shizosaccharomyces 2. Reproduksi dg pertunasan ------------------------------------ Endomycopsis 3. Membentuk Askospora bulat --------------------------------- Saccharomycetes
4. Pemeliharaan dan Pelestarian Kultur Tujuan : 1. Mencegah terjadinya perubahan genetik akibat seleksi dan mutasi alam 2. Mencegah kontaminasi 3. Mempertahankan viabilitas sel Cara-Cara Penyimpanan Kultur 1. Penyimpanan pada suhu rendah : a. Penyimpanan pada agar miring b. Penyimpanan spora dalam air c.. Penyimpanan dengan nitrogen cair 2. Penyimpanan dalam bentuk kering : a. Kultur tanah b. Lyophilisasi Prinsip Lyophilisasi 1. Penurunan suhu dibawah titik beku untuk menurunkan aktivitas enzim 2. Penghilangan air sel dengan cara pengeringan vakum untuk menghambat metabolisme
Kultur m.o berguna Untuk dikembangkan LESTARIKAN Menghasilkan antibiotik Menghasilkan asam amino Pelestarian Kultur Cara Lyophilisasi 1. Sel-sel dalam fase stasioner (jumlah sel, 1010-1011 sel/ml dibuat suspensi dalam medium pelindung ( susu, serum atau natrium glutamat) 2. Beberapa tetes suspensi dimasukkan ke dalam ampul bekukan vakum sampai sublimasi selesai 3. Ampul ditutup dan disimpan dalam refrigerator
Lembaga Pengumpul Kultur Ket ATCC : The American Type Culture Collection (USA) CBS : Centralbureau Voor Schimmel Culturen (Belanda) CMI : Cemmeonweath Mycological Institute (Inggris) IFO : Institute for Fermentation (Jepang) FERM : Fermentation Research Institute (Jepang) NRRL : Northem Regional Research Center (USA)
5. Fermentor (Bioreaktor) Pengertian Fermentor Suatu reaktor yang digunakan untuk reaksi biologis dari suatu proses bioteknologi, baik menggunakan enzim larut, sel bebas dari mikroorganisme, tanaman maupun hewan ataupun enzim/sel imobilisasi Fungsi fermentor 1. Memberikan lingkungan tetap bagi optomasi pertumbuhan mikroorganisme dan aktivitas metabolisme dalam menghasilkan suatu produk yang diinginkan 2. Mencegah kontaminasi produksi dari lingkungan pada kultur sambil mencegah pelepasan kultur ke kultur lingkungan Syarat Bahan Fermentor - Bersifat tidak beracun (baja tahan karat) - Mampu menahan tekanan uap - Tahan terhadap korosi kimia dan elektrolit Kapasitas Fermentor - Skala laboratorium (1-2 liter) - Skala pilot plan (100-1000 liter) - Skala industri ( > 1000 liter)
Fungsi Komponen Fermentor 1. Pengaduk/Impeler a. Untuk mengurangi ukuran gelembung udara, memberikan ruang penyebaran oksigen yang lebih besar dan untuk menurunkan difusi b. Untuk memelihara lingkungan yang seragam diseluruh bagian fermentor Bentuk-bentuk pengaduk 2. Bafel Fermentor 4 Bafel Fungsi Bafel untuk mencegah pusaran dan memperbaiki efisiensi aerasi 3. Sistem Aerasi Tujuan Untuk menyediakan oksigen dalam jumlah yang cukup kepada mikroorganisme yang bearada pada kultur, agar kebutuhan metaboliknya terpenuhi dengan baik
Aturan Dasar Rancangan fermentor • Tujuan : untuk menjaga agar proses fermentasi dapat berlangsung tanpa kontaminasi • Aturan-aturan : 1. Tidak boleh ada hubungan antara bagian sistem yang steril dengan non steril 2. Kurangi hubungan berbentuk gelangan oleh gerakan atau fibrasi alat dan kenaikan suhu 3. Pergunakan las untuk seluruh konstruksi 4. Hindari ruang-ruang benbentuk leher 5. Senua bagian sistem harus steril (uap) 6. Gunakan katup-katup yang mudah dibersihkan/disterilkan 7. Tekanan dalam fermentor harus tetap pos Tipe Fermentor 1. Fermentor Batch (FB) 2. Fermentor Teraduk Kontinu (FTK) 3. Fermentor Tubular (FT) 4. Fermentor Tercair Berbutiran (FTB)
6. Penggandaan Skala Fermentasi Pengertian Penggandaan Skala Suatu proses perallihan dari suatu kegiatan produksi skala laboratorium ke skala industri Tahapan Pelaksanaan : 1. Skala Laboratorium 2. Skala Pilot Plan 3. Skala Industri
Fungsi penggandaan skala dalam pengembangan mikrobiologik : 1. Untuk menerapkan penemuan proses-proses baru kedalam skala industri 2. Untuk memperbaiki kultur mikroorganisme yang tersedia dengan mengembangkan strain-strain yang lebih baik, medium yang lebih efisien dan peralatan yang lebih sempurna Kondisi Lingkungan Optimal dalam Penggandana Skala 1. Faktor kimia : konsentrasi subtrat 2. Faktor fisik : Kemampuan pindah panas dan pencampuran Dasar-Dasar Metode Penggandaan Skala 1. Konstanta gaya gunting 2. Konstanta waktu pencampuran 3. Bilangan Reynolds 4. Faktor momentum 5. Efek Pengadukan
V. MEKANISME KETAHANAN MIKROORGANISMETERHADAP PROSES PENGOLAHAN Pendahuluan Tujuan pengolahan pangan : Memperpanjang masa simpan atau mengawetkan, membuat produk lain baik setengah jadi maupun yang siap untuk dikonsumsi meningkatkan daya cerna dan penerimaannya. • Tujuan pengawetan terhadap bahan pangan : 1. Mencegah kerusakan fisik 2. Mencegah kerusakan kimia 3. Mencegah kerusakan biologis (mikrobiologi) • 3 kelompok proses pengawetan anti mikrobial terhadap pangan : 1. Proses pengawetan yang bersifat membunuh mikroorganisme 2. Proses pengawetan yang bersifat menghambat/memperlambat pertumbuhan mikroorganisme 3. Proses pengawetan yang mencegah masuknya mikroorganisme kedalam bahan pangan
mempengaruhi Pengawetan makanan suhu tinggi Pada makanan yg diawetkan • M.o. • Mutu Low Temperature Long Time (LTLT) (suhu 62,8 oC ~ 30’) High Temperature Short Time (HTST) (Suhu 71,7 oC~ 15’) Pasteurisasi 1. Ketahanan Mikroorganisme Terhadap Panas Cara-cara pengawetan dengan pemanasan : 1. Pasteurisasi Tujuan : 1. Untuk membunuh semua mikroorganisme patogen 2. Mengurangi jumlah mikroorganisme penyebab kerusakan makanan Suhu pasteurisasi membunuh mikroorganisme : • Khamir • Kapang • Bakteri gram negatif • Sel vegetatif bakteri gram positif
Mikroorganisme psikrofilik • Mikroorganisme mesofilik • Mikroorganisme termofilik Suhu optimum pertumbuhan m.o. Kelompok mikroorganisme yg tahan suhu pasteurisasi : 1. Bakteri thermodurik : - Streptococcus - Lactobacillus 2. Bakteri termofilik : - Bacillus - Clostridium 2. Sterilisasi Tujuan : untuk membunuh semua mikroorganisme yang ada dengan cara pengawetan dengan suhu tinggi (suhu 121 oC ~ 15’) (suhu 135-150 oC ~ 2-6 detik) Sterilisasi komersial : Sterilisasi untuk membunuh semua mikroorganisme pembusuk yang dapat tumbuh pada kondisi penyimpanan yang normal. Contoh : makanan kaleng • Suhu & waktu sterilisasi dipengaruhi : 1. Sifat-sifat bahan pangan 2. pH • Ketahanan panas diantara spesies mikroorganisme :
dapat mengimbangi tekanan osmotik diluar Produksi senyawa-senyawa tertentu (dapat meningkatkan tekanan osmotik dalam sel) M.O. menyerap air kembali m.o. berkembang biak 2. Ketahanan Mikroorganisme terhadap Aktivitas Air Rendah • Tujuan penurunan a : untuk menghambat pertumbuhan sel vegetatif, yaitu dengan cara pengeringan, penambahan garam atau gula. • Kebutuhan a tiap mikroorganisme berbeda : - Bakteri a > 0,90 - Khamir a > 0,88 - Kapang a > 0,80 • Kebusukan makanan dapat dicegah dengan pengaturan a < 0,70 • Mekanisme ketahanan m.o terhadap a rendah :
Contoh : 1. Bakteri asam-asam amino, K+ dan glukosa 2. Khamir alkohol polihidrat • Kecepatan pertumbuhan sel pada a rendah lambat, karena sebagian energi digunakan untuk mensintesis komponen intraseluler • Sel m.o. dapat mengimbangi perubahan a disekelilingnya, tetapi kemampuan sel terbatas sehingga pada a yang sangat rendah/tekanan osmotik sangat tinggi pertumbuhan sel terhenti • Bakteri yang tahan garam dikelompokkan : 1. Bakteri halofilik (Halobacterium) 2. Bakteri halodurik (Pseudomonas) • Khamir yang tahan gula dikelompokkan : 1. Khamir osmofilik (Saccharomyces) 2. Khamir osmodurik (Saccharomycesrouxii)
3. Ketahanan mikroorganisme terhadap keasaman tinggi dan senyawa lipofilat • Pengasaman adalah salah satu cara pengawetan makanan Proses pengasaman 1. Penambahan asam 2. Fermentasi asam • Perbedaan : Penurunan a Sel vegetatif pertumbuhan dihambat, dimana pada proses adaptasi sel vegetatif dipindahkan kedalam medium pH rendah Tidak menunjukkan proses adaptasi tetapi kecepatan pertumbuhannya akan segera berubah • Mikroorganisme yg ditumbuhkan dalam pH yg tidak optimal, menyebabkan : 1. Sel m.o. Umumnya bereaksi untuk mempertahankan pH konstan di dalam sel 2. Pada waktu pH diturunkan, proton dalm jumlah tinggi pada medium akan masuk ke dalam sitoplasma sel 3. Proton harus dihilangkan dari dalam sel untuk mencegah denaturasi komponen-komponen sel • Untuk menghilangkan proton keluar sel perlu energi. Karena terjadi gradien konsentrasi (konsentrasi rendah ke tinggi)
Mencegah kerusakan mikrobiologi karena : Kelarutannya dalam bentuk tidak terdisosiasi didalam larutan membran sel dan aktivitasnya sebagai ionofor proton Contoh : asam sorbat dapat menghambat germinasi spora Bacilluscereus • PH energi akan mengakibatkan : Energi untuk sintesis komponen-komponen sel berkurang, sehingga : 1. Pertumbuhan sel menjadi lambat 2. Pertumbuhan sel berhenti Pengawetan makanan dengan asam Lipofilat lemah Misal : - Asam sorbat - Asam benzoat - Asam propionat
Pengawetan makanan dgn suhu rendah • Aktivitas m.o. duperlambat • Aktivitas m.o. Berhenti (suhu freezer) • Suhu chilling : 5 – 7 oC • Suhu refrigerator : 10 – 15 oC • Suhu freezer : < 0 oC • Aktivitas m.o diperlambat/berhenti Reaksi-rekasi metabolisme didalam sel m.o. dikatalis oleh enzim Kecepatan reaksi Suhu 4. Ketahanan Mikroorganisme Terhadap Suhu Rendah
Contoh : • Bakteri psikrofil Pseudomonas Acinetobacter • Kapang Penicillium Mucor • Khamir Debariomyces Torulopsis • Proses pembekuan 1. Kematian 2. Kerusakan