PENGANTAR MIKROBIOLOGI INDUSTRI

Deskripsi singkat
Dalam pokok bahasan pertama akan dibahas tentang pengertian Mikrobiologi Industri, industri fermentasi dan bioteknologi. Mikrobiologi Industri adalah ilmu yang mempelajari tentang peranan mikrobia yang menguntungkan dalam industri dalam penghasilan produk yang mempunyai nilai ekonomi lebih tinggi dibandingkan dengan bahan dasar. Disamping itu juga dalam mikrobiologi industri juga dipelajari tentang pertumbuhan mikrobia isolasi dan peningkatan, pemeliharaan kultur mikrobia yang potensial dalam industri, rancang bangun biorektor strain mikrobia, pengunduhan dan punifikasi produk, produksi metabolit primer dan sekunder, biokonversi steroid serta protein sel tunggal serta penanganan limbah.

Tujuan Instruksional khusus
Mahasiswa mampu menjelaskan pengertian Mikrobiologi Industri, industri fermentasi dan bioteknologi, sejarah fermentasi dan peranan mikrobia bagi manusia.

A. Pengertian Mikrobiologi Industri
Mikrobiologi Industri adalah ilmu yang mempelajari proses industri dengan mengikut sertakan mikrobia dalam memproduksi produk-produk yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Produk yang dibuat dipilih senyawa yang sulit diperoleh melalui cara kimiawi.

B. Aspek-aspek Mikrobiologi Industri
Aspek yang dipelajari dalam Mikrobiologi Industri adalah dinamika fermentasi, alat untuk fermentasi, kinetika pertumbuhan, pengunduhan produk serta penangan limbah industri, produksi metabolit, protein sel tunggal.

C. Sejarah Fermentasi
Sejarah perkembangan fermentasi
a. Fermentasi telah dikenal sejak 6000 SM, di Babylonia, diketemukan khamir penghasil minuman beralkohol (bir)
b. Orang Mesir menemukan khamir pengembang roti, pada 4000 SM.
c. Abad ke-14 diketemukan cara distilasi alkohol dari hasil fermentasi serealia.
d. Di Cina, Timur Tengah, menggunakan bakteri asam laktat untuk pengawetan susu menjadi yoghurt, kefir dan kusmiss.
e. Bakteri asam asetat ditemukan sebelum penemuan oleh Anthony Van Leuwenhoek.
f. Columbus di Amerika, menemukan fermentasi dari jagung.
g. Pabrik bir Carlsberg tahun 1800 sebagai pioner pengembang starter, untuk inokulum bir.
h. Tahun 1803 L.J. Thenard (Perancis) menemukan khamir penghasil alkohol.
i. Edward Buchner tahun 1857 menemukan mikrobia untuk produksi alkohol.
j. Rudolf Emmerich dan Oscarlow tahun 1901 mendapatkan pyonase, adalah biotik yang dighasilkan oleh Pseudomonas aeruginosa.
k. Chaim Wismann tahun 1914-1918 menemukan Clostridium penghasil aseton untuk bahan peledak.
l. Pfizer tahun 1923 menemukan Aspergillus niger penghasil asam sitrat.
m. Alexander Flemming tahun 1928 menemukan pinisilin yang dihasilkan oleh P. notatum chrysogenum untuk menghambat Staphylococcus aureus.
n. Selman Waksman menemukan Streptomyces griseus penghasil streptomisin.
o. Louis Pasteur tahun 1957 menemukan khamir penghasil alkohol, diketemukan pula fermentasi vitamin, antibiotik, steroid dan asam amino.
p. Tahun 1900 sampai 1920 dihasilkan gliserol, aseton, butanol, ensim dari bakteri dan fungi. Pada waktu itu juga diperkenalkan tangki Imhoff untuk digesti anaerob air limbah menggunakan lumpur aktif.
q. Tahun 1960 telah diteliti tentang produksi biomasa sel mikrobia untuk sumber protein.
r. Rekayasa genetika tidak hanya memindah gen diantra mikrobia tetapi juga genom.
D. Masa depan perkembangan fermentasi (Industri fermentasi)
Perkembangan fermentasi umumnya menuju pada bahan kompleks dan sukar dibuat secara sintetis, contohnya: asam nukleat, alkoloid, polipeptida, protein, dan asam polihidroksi. Untuk memenuhi obat-obatan, makanan, ensim, detergen dan sebagainya perlu dicari mikrobia yang bersifat unggul. Penyediaan bahan untuk industrifermentasi sangat dibutuhkan dalam jumlah besar.
E. Peranan Mikrobiologi dalam Industri bagi Manusia.
1 Mikrobia dapat digunakan dalam industri untuk menghasilkan produk seperti ensim, polisakarida, asam amino, hormon dan antibodi monoklonal.
2 Mikrobia dapat digunakan untuk degradasi senyawa toksik, mengakumulasi lapisan minyak, berperanan sebagai peptisida dan tujuan untuk penambangan.
3 Ensim digunakan untuk penyamakan kulit penghasil detergen dan pembuatan mentega pengempukan daging.
4 Polisakharida digunakan untuk menstabilkan dan memberi pengental makanan sebagai bahan kosmetik, agensia pengikat (perekat) obat-obatan, untuk menyaring senyawa dan sebagainya.
5 Hormon seperti insulin dan hormon pertumbuhan digunakan untuk diberikan kepada manusia yang memang sifat genetik tak mampu memproduksi vitamin dan hormon.
Peranan Mikrobia dalam Industri :
Mikrobia :1. Menguntungkan 2. Merugikan
1. Menguntungkan – produk metabolit – mempunyai nilai komersial
a.Produk metabolit primer
b. Produk metabolit sekunder
Berupa obat-obatan, antibiotik – tetrasilin, penisilin, vitamin, asam amino, dan lain-lain.
2. Mikrobia yang berperanan: mold, yeast dan bakteria
a. Minuman beralkohol, bir, anggur
b. Senyawa obat-obatan, antibiotik, steroid.
c. Makanan suplement: yeast, alge (PST)
d. Senyawa pelarut: aseton, butanol, alkohol.
e. Vaksin.
Latihan soal :
1 Jelaskan ruang lingkup yang dipelajari dalam Mikrobiologi Industri
2 Jelaskan perbedaan antara industri fermentasi dan bioteknologi
3 Sebutkan salah satu produk fermentasi (biopestisida) yang dihasilkan oleh bakteri
4 Mengapa produk fermentasi ada yang tergolong dalam metabolit primer dan sekunder ! beri contoh.
5 Apakah yang dimaksud dengan
a. Mikrobiologi Industri
b. Protein sel tunggal
c. Bioteknologi.


Pokok Bahasan II
DASAR-DASAR DAN BIOKIMIA FERMENTASI

Deskripsi Singkat
Fermentasi berasal dari kata latin yaitu fervere yang berarti mendidih (toboil), hal ini ternyata merupakan aktifitas khamir pada ekstrak buah-buahan atau sekealia. Selama fermentasi dihasilkan CO2 sehingga kondisinya menjadi anaerob.
Definisi fermentasi ini diperluas yaitu reaksi oksidasi reduksi menggunakan sumber energi dan sumber karbon, nitrogen dan lain-lain untuk membentuk senyawa yang mempunyai nilai ekonomi lebih tinggi serta terakumulasi dalam medium.
Adapun tahapan fermentasi adalah jenis mikrobia dan kultur stok, media, preparasi inokulum, fermentasi, kontrol proses dan pengunduhan hasil serta operasi fermentasi. Operasi fermentasi secara komersial dapat digolongkan menjadi tiga golongan yaitu fermentasi non aseptis, semi aseptis dan aseptis. Sebagai contoh fermentasi non aseptis yaitu produksi protein sel tunggal (PST) dari hidrokarbon, fermentasi alkohol tergolong fermentasi semi aseptis dan produksi antibiotik bersifat fermentasi aseptis.
Kebanyakan produk berasal dari substrat yang mengandung karbon. Bermacam-macam produk antara yang dihasilkan dari glukosa dan dihasilkan asam piruvat sebagai senyawa kunci, kemudian asam piruvat direduksi menjadi asam laktat, asam butirat, asam propional, butanediol, etil alkohol dan sebagainya.
Produk yang dihasilkan tergantung ada dan tidaknya ensim mikrobia. Sebagai contoh bakteri asam laktat tidak menghasilkan ensim piruvat dekarboksilase, tetapi mereduksi piruvat menjadi asam laktat, sedang khamir dapat menghasilkan piruvat dekarboksilase untuk mereduksi senyawa CO2 menjadi etanol.
Metabolisme glukosa dalam kondisi anaerob oleh mikrobia melalui Embden-Meyerhaf-Parnas. Kemudian pseudomonas melalui reaksi Entner Doudoroff mendegradasi menjadi etil alkohol. Leuconostoc mesenteraides melalui fermentasi glukosa menjadi asam laktat. Banyak fermentasi lain yang dilakukan oleh mikrobia sesuai sifat kharakteristik masing-masing.

Tujuan Instruksional Khusus
Mahasiswa setelah mempelajari dasar-dasar fermentasi dan biokimianya mampu menjelaskan tahapan fermentasi, asam piruvat, suatu kunci utama dalam fermentasi karbohidrat, mengetahui urutan reaksi Heksosa Di Phosphat (DHP), Heksosa Mono Phosphat (HMP). Embden Meyerhaf-Paruas (EMP), Entner Soudoroff.
A. DASAR-DASAR FERMENTASI
1 Dalam fermentasi terdapat hubungan antara pertumbuhan sel, kecepatan pertumbuhan, konsentrasi substrat serta produk akhir. Tipe fermentasi dibedakan atas pertumbuhan mikrobia dan produk :
a. Sinonim : produksi protein sel tunggal
b. Assosiasi (associated) : fermentasi alkohol asam sitrat, dan asam laktat.
c. Non assosiasi (non associated) : fermentasi antibiotik.
d. Stepwise : fermentasi antibiotik
2 Mikrobia yang berperanan dalam industri adalah bakteri, fungi, khamir, alge, dam protozoa.
a. Bakteri contohnya : Zymomonus mobilis, Clostridium acetobutylicum, Acetobacter aceti.
b. Fungi contohnya : Aspergillus oryzae, Penicellium notatum, Rhizopus oligosporus
c. Khamir contohnya : Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Saccharomyces pombe.
d. Virus perlu dipelajari karena penyebab kontaminasi
e. Protozoa penting dalam penangan limbah
f. Alge untuk produksi bahan makanan yaitu agar, protein sel tunggal.
3 Peranan mikrobia dalam metabolisme yaitu :
a. Katabolisme : fermentasi alkohol, aseton, butanol dan asam organik
b. Anabolisme : fermentasi polisakarida protein, asam nukleat, alkaloid.
4 Peranan ensim dalam fermentasi
a. Katalisator ensim dapat mempercepat reaksi kimia 1012 – 1020 kali dibandingkan dengan katalisator anorganik.
b. Reaksi dengan menggunakan ensim untuk mendapatkan produk melalui degradasi tahap demi tahap.
c. Energi yang dihasilkan oleh ensim ditangkap lalu dilepas, tidak seperti katalisator anorganik.
d. Ensim dapat menurunkan energi aktivasi reaksi.
5. Fermentasi oleh mikrobia dapat menggunakan substrat dasar karbohidrat dan senyawa nitrogen organik.
Macam-macam fermentasi karbohidrat
No. Macam Glikolisis Hasil akhir utama
1. Fermentasi alkohol
1.1. Oleh khamir HDP etanol, CO2
1.2. Oleh bakteri EDP etanol, CO2
2. Fermentasi asam laktat
2.1. Homofermentasi HDP asam laktat
(Homolaktat)
2.2. Heterofermentasi HMP asam laktat, etanol,
(Heterolaktat) asam asetat dan CO2
3. Fermentasi asam propionat HDP asam propionat, asam asetat CO2
4. Fermentasi asam butiran HDP asam butirat,asam asetat, H2
CO2, butanol, etanol, aseton
Isopropanol.
5. Fermentasi asam campur HDP etanol, asetat, format, H2,
CO2, laktat, suksinat.
6. Fermentasi butanediol HDP butanediol, etanol, laktat,
suksinat, asetat, H2, CO2.
Peruraian glukosa menjadi asam piruvat dibedakan menjadi 3 jalur :
• Jalur heksosa difosfat (HDP), yaitu Embden-Meyerhoff-Parras atau glikolisa.
• Jalur heksosa monfosfat (HMP), yaitu jalur Warburg Dicken, jalur fosfoketolosa, atau jalur pentosa fosfat.
• Jalur 2 keto-3 deoksi glukonat-6 fosfat (jalur KDGP), atau jalur Entner Doudoroff.
Glukosa
Jalur HDP
Jalur HMP
Jalur KDGP

Laktat Piruvat Asetaldehid Etanol

Glukolasetat Asetoin Astil KoA + Format Asetil KoA + H2 + CO2

Asetil KoA Asetat

Suksinat Butirat Aseton

Propional Butadediol Asetat Etanol H2CO2 Butanol Propanol

Skema berbagai jalur perubahan asam piruvat
6. Tahapan fermentasi
a. Pemilihan mikrobia
Mikrobia yang dipakai dalam industri akan sangat bermanfaat bila disimpan untuk penggunaan lebih lanjut tanpa mengurangi kemampuan tumbuh dan produksinya. Ada dua macam kultur yaitu primary culture dan working culture.
b. Media fermentasi
Media sangat penting dalam fermentasi karena mikrobia mampu tumbuh pada substrat tersebut. Media harus mengandung makronutrien Media fermentasi dapat digolongkan menjadi dua macam yaitu media sintetik dan kompleks.
c. Preparasi inokulum
Media untuk penyiapan inokulum biasanya berbeda dengan media fermentasi. Media untuk inokulum untuk menghasilkan sel mikrobia dalam jumlah besar tanpa terjadi perubahan sifat genetik sel. Konsentrasi penggunaan 0,5 % sampai 5 % volume, kadang 10 % - 20 % inokulum yang terlalu sedikit mengakibatkan waktu fermentasi menjadi lama dan produktivitas menurun.
d. Kontrol proses fermentasi dan pengunduhan produk akan dibahas pada bab berikutnya.
B. BIOKIMIA FERMENTASI
1 Pada reaksi-reaksi katabolisme-anabolisme ATP dan nikotin adenin di nucleotide yang tereduksi (NADH) adalah kunci utama dalam fermentasi.
2 Fermentasi terjadi bila produk fermentasi kandungannya lebih rendah dari substrat yang difermentasi.

3 Rumus untuk menyatakan perubahan energi bebas dengan perombakan potensial bila elektron pindah dari sistem ke sestem lain.
 Fo = - n F Eo
 Fo = perubahan energi bebas pada keadaan standard (Cal/mole)
n = jumlah elektron yang dipindahkan
Fo = Faraday, setara dengan 23,063 Cal/volt
Eo = potensial
4 Reaksi-reaksi metabolisme ada dua yaitu
a. Proses disimilasi (katabolisme) dapat menghasilkan hasil antara dan energi oleh mikrobia.
b. Proses asimilasi (biosintesa/anabolisme) atau reaksi yang dapat mensintesa konstituen-konstituen sel dan produk akhir lainnya sesuai sifat mikrobia.
5 Reaksi EMP dan Krebs disebut juga reaksi amphibolik. Reaksi amphibolik berfungsi mengarahkan dan mutlak diperlukan dalam biosintesa. Karena reaksi amphibolik menghasilkan energi dan senyawa prekursor untuk biosintesa.
6 Pemecahan (metabolisme) karbohidrat oleh mikrobia.
a. Fermentasi alkohol oleh khamir (Saccharomyces)




Jalur HDP
Glukosa 2 piruvat
piruvat
2 NAD 2 NAD dekarboksilasa
CO2
etanol 2 asetaldehid
alkohol dehidrogenasa
Skema jalur fermentasi alkohol oleh khamir

b.1. Fermentasi asam laktat yaitu homolaktat dan heterolaktat
• Fermentasi homolaktat mengikuti jalur HDP lalu dengan ensim laktat dehidrogenase, asam piruvat dirubah jadi asam laktat.
• Fermentasi heterolaktat mengikuti jalur HMP. Asetilfosfat diubah menjadi asetil KoA. Oleh ensim asetaldehida dehidrogenasa dan alkohol.
• Dehidrogenase akan dihasilkan alkohol. Piruvat oleh ensim laktat dihdrogenase dirubah menjadi asam laktat.
3. Fermentasi asam laktat oleh Bibidolac ferium bifidum. Bakteri ini mempunyai ensim fruktosa 6-fosfat fosfo ketolase dan xilulosa-5-fosfat fosfoketolase yang menghasilkan asetil fosfat. Asetil fosfat akan dirubah menjadi asetat dengan bantuan asetat kinasa.


c. Fermentasi asam propionat
Bakteri asam propionat menghasilkan asam propionat dari karbonat, lalu hasil lainnya asam asetat dan CO2
Contoh bakteri asam propionat: Propionibacterium, Clostridium propionicum, Peptostreptococcus elsdeni.
d. Fermentasi asam butirat
Bakteri asam butirat antara lain Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium, Fusobacterium. Selain asam butirat dihasilkan pula asetat, aseton, isopropanol, butanol CO2 dan H2.
e. Fermentasi asam campur butanediol
- Fermentasi asam campur dilakukan oleh jenis :
Jenis Enterobacterioceae, genus Escherichia, Salmonella dan Shigella. Hasilnya asam laktat, asetat, suksinat dan formiat, CO2, H2 dan etanol.
- Pada fermentasi butanediol, asam-asam organik yang dihasilkan sedikit, lebih banyak CO2, etanol dan menghasilkan senyawa khusus 2,3 butanediol. Bakteri yang berperanan: Enterobacter seratia dan Erwinia
f. Fermentasi senyawa nitrogen organik, dibagi menjadi 3 macam :
1. Fermentsi asam amino tunggal
2. Fermentasi sepasang amino (reaksi stickland)
3. Fermentasi senyawa nitrogen heterosiklik
Bakteri yang berperanan Clostridium. Contoh fermentasi glisin, treonin, glutamat, lisin dan sebagainya.
Fermentasi senyawa N-heterosiklik dapat dilakukan oleh jenis bakteri Clostridium acidi-urici dan Cl. Cylindrosporum.
Kedua bakteri ini memfermentasi guanin, hipoxantin, urat dan xantin.

Latihan soal.
1. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi. Jelaskan salah satu faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.
2. Bedakan antara isolasi metoda crawded plate technique, auxonography dan enrichment culture !
3. Beri contoh lima macam senyawa unsur yang tergolong dalam makronutrien , mikro, mesonutrien dan mikronutrien.
4. Jelaskan fungsi dan sumber nitrogen organik dan anorganik bagi pertumbuhan mikrobia.
5. Mengapa dalam suatu fermentasi antibiotik perlu ditambah prekursor.






Pokok Bahasan III
PERTUMBUHAN MIKROBIA DALAM BIOREAKTOR

Deskripsi Singkat
Pertumbuhan mikrobia adalah peningkatan semua komponen sel, sehingga menghasilkan peningkatan ukuran sel dan jumlah sel (kecuali mikrobia yang berbentuk filamen) akan menyebabkan peningkatan jumlah individu didalam populasi.
Pertmbuhan mikrobia dalam bioreaktor terjadi secara pertumbuhan individu sel dan pertumbuhan populasi pertumbuhan individu sel meliputi peningkatan substansi dan komponen sel, peningkatan ukuran sel serta pembelahan sel. Sedang pertumbuhan populasi meliputi peningkatan jumlah akibat pembelahan sel dan peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesa ensim.
Dalam pertumbuhan mikrobia juga terlibat proses metabolik yaitu mulai dari transport nutrien dari medium kedalam sel, konversi bahan nutrien menjadi energi dan konstituen sel, replikasi kromosom, peningkatan ukuran dan masa sel serta pembelahan sel secara biner yang terjadi pula pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan.
Dalam bab ini akan dibahas tentang kinetik pertumbuhan mikrobia dalam sistim sekali unduh, kontinyu dan kultur terputus, studi kinetika pertumbuhan dan fermentasi diperlukan sebagai dasar untuk memahami setiap proses fermentasi. Kinetika pertumbuhan mikrobia terutama menguraikan tentang kecepatan produksi sel (biomasa) dan pengaruh lingkungan terhadap kecepatannya. Pengamatan pertumbuhan mikrobia tidak cukup untuk mengetahui apakah biakan tumbuh atau tidak (pengamatan kuantitatif) tetapi juga diperlukan pengamatan yang bersifat kualitatif dari studi kinetika pertumbuhan.
Pengukuran pertumbuhan secara kuantitatif disajikan dalam bentuk kurva yang menunjukkan hubungan antara waktu dan jumlah biomasa. Data pengamatan pertumbuhan mikrobia perlu diamati parameter-parameter seperti:
1 Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)
2 Waktu mengganda (doubling time)
3 Hasil pertumbuhan (growth yield)
4 Kemampuan metabolime (metabolic quosient)
5 Affinitas substrat
6 Jumlah maksimum biomasa
Kinetika untuk pertumbuhan mikrobia pembentuk koloni, filamen maupun imobilisasi sel memiliki kinetika pertumbuhan yang lebih kompleks.

Tujuan Instruksional khusus
Setelah mahasiswa mempelajari pokok bahasan tentang pertumbuhan mikrobia dalam bioreaktor, maka mahasiswa mampu mengethui pertumbuhan dan menerapkan sistem pertumbuhan serta kinetikanya pada sistim sekali unduh, continue dan fedbatch culture.
Apakah yang dimaksud pertumbuhan untuk mikrobia ?
Definisi umum : peningkatan semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia yang membentuk filamen) sehingga terjadi peningkatan jumlah individu di dalam populasi.
Pertumbuhan mikrobia di dalam bioreaktor :
1 Pertumbuhan individu sel :
a. Peningkatan substansi dan komponen sel
b. Peningkatan ukuran sel
c. Pembelahan sel
2 Pertumbuhan populasi
a. Peningkatan jumlah akibat pembelahan sel
b. Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis ensim
Bagaimana mekanisme terjadinya pertumbuhan mikrobia ?
Reproduksi sel bakteri :
1. Pembelahan biner : proses pembelahan sel menjadi dua sel anakan yang mempunyai ukuran hampir sama.
2. Melibatkan 3 proses :
a. Peningkatan ukuran sel (pemanjangan sel): memerlukan pertumbuhan dinding sel, yaitu untuk menutup permukaan pada sisi tertentu.
Streptococcus sp   
Escherichia coli  


b. Replika DNA: indikasi pertumbuhan awal pada sel bakteri.
c. Pembelahan sel: diawali dengan invaginasi lapisan di bagian tengah sel Hampir semua bakteri menerima DNA.
Proses metabolik apa yang terlibat dalam pertumbuhan ?
1 Transportasi nutrien dari medium ke dalam sel
2 Konversi bahan nutrien sehingga menjadi tenaga dan konstituen sel
3 Replikasi kromosom
4 Peningkatan ukuran dan masa sel
5 Pembelahan sel secara biner yang dibarengi dengan pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan.




KINETIKA PERTUMBUHAN MIKROBIA
Pertumbuhan mikrobia (Prokariota)
1 Sel prokariotik membelah secara biner: 1  2  4  8  16  32  64  n.
2 Pembelahan sel dinyatakan sebagai fungsi 2: 21 22 23 24 25 26 2n
3 Apabila jumlah sel setelah waktu tertentu = Nt, maka Nt = 1 x 2n jumlah total sel tergantung pada jumlah generasi (pembelahan) yang terjadi didalam waktu tertentu.
4 Apabila jumlah sel awal = N0, jumlah sel dalam populasi dapat dinyatakan sebagai berikut : Nt = N0 x 2n
5 Jumlah total sel dalam populasi = Nt yang merupakan fungsi dari 2, dapat lebih mudah diplot dengan nilai logaritmiknya, sehingga diperoleh garis eksponensial. Didalam praktek digunakan angka dasar 10
log Nt = log N0 + n log2 log Nt - log N0
n = -------------------
log 2

log Nt - log N0
Kecepatan pembelahan sel : k n/t  k = -------------------
log 2 (t)

log Nt - log N0
 k = -------------------
0.301 t

Kecepatan tumbuh suatu bakteri biasanya dinyatakan sebagai jumlah generasi per satuan waktu atau generasi per jam.
6 Waktu generasi (g) adalah waktu yang diperlukan sel didalam suatu populasi untuk membelah diri. Pada umumnya berlangsung konstan dan relatif singkat (menit).
log Nt - log N0 log (2N0) - log N0 0.6931
k = ------------------ = ---------------------- = ---------- g = t/n = 1/k
0.301 g 0.301 x g g


Cara-cara penentuan pertumbuhan :
1 Menentukan jumlah dalam suatu populasi :
a. Dengan plating menggunakan medium yang sesuai, diperoleh : jumlah x ml-1
b. Menghitung secara langsung dengan pengecatan sederhana :jumlah x ml-1
2 Mengukur kerapatan/densitas
a. Kerapatan optik dngan spektrofotometer (Absorbansi 450-660 nm)
b. Berat kering melalui flitrasi kultur dengan filter (0.20 m): mg berat kering x ml-1
Beberapa parameter yang harus ditentukan didalam penentuan pertumbuhan kultur :
1 Jumlah generasi (n)
2 Kecepatan membelah sel (jumlah jam-1)
3 Waktu generasi rata-rata (jam)
Pengukuran pertumbuhan berdsarkan masa bakteri
1 Secara langsung :
a. Biomasa berdasarkan berat kering (g l-1) dengan melalui sentrifugasi
b. Aktivitas metabolik atau ensim, melalui analisis :
• Kandungan N total di dalam kultur dengan teknik mikro Kjeldhal (g l-1)
• Kandungan C di dalam kultur dengan menggunakan fenol-sulfat (g l-1)
• Kandungan protein dengan metoda Lowry
• Kandungan asam nukleat
2 Pengukuran pertumbuhan secara tidak langsung berdasarkan aktivitas metabolik :
a. Keperluan oksigen untuk pertumbuhan
b. CO2 yang dilepaskan dan asam organik yang terbentuk
c. Kekeruhan kultur bakteri
Pengukuran parameter pertumbuhan dikerjakan dengan interval waktu sesingkat mungkin sehingga dapat dideteksi pertumbuhan eksponensial
Pengaruh kecepatan pertumbuhan pada fisiologi sel
1 Semakin tinggi kecepatan pertumbuhan semakin tinggi biomasa
2 Semakin tinggi kecepatan pertumbuhan sel-sel menjadi lebih besar dan mengandung komponen lebih banyak, antara lain: DNA, RNA dan protein
3 Konsentrasi makromolekul meningkat
4 RNA relatif lebih banyak dibanding dengan makromolekul lain, karena ribosom meningkat jumlahnya.
5 Semakin tinggi kecepatan pertumbuhan sel semakin tinggi jumlah DNA


Fase-fase pertumbuhan mikrobia
1 Penentuan fase-fase pertumbuhan dapat dikerjakan dengan menumbuhkan kultur bakteri dengan jumlah tertentu ke medium baru. Pertumbuhan dipantau dengan pengukuran konsentrasi sel pada interval waktu tertentu (jam). Perubahan konsentrasi sel pada waktu tertentu dapat diplot menjadi kurva pertumbuhan.
2 Pengukuran pertumbuhan dilakukan dengan menggunakan sistem tertentu, antara lain kultur sekali unduh (batch culture), kultur berkesinambungan (contuous culture), dan kultur terputus (fed-batch culture).
PERTUMBUHAN KULTUR BAKTERI
1 Dengan menggunakan sistem pemeliharaan khusus :
a. Kultur sekali unduh (batch culture)
b. Kultur berkesinambungan (contuous culture)
c. Kultur terputus (fed-batch culture).
2 Memerlukan kultur murni
3 Medium yang tepat
4 Bejana untuk berlangsungnya pertumbuhan yang disebut bioreaktor.

Kultur sekali unduh (batch culture)
1 Merupakan sistem tertutup
2 Medium segar yang berupa nutrien dengan jumlah tertentu diinokulasi dengan bakteri yang telah diketahui jumlahnya.
3 Nutrien akan habis dan terjadi akumulasi hasil akhir
4 Untuk mempelajari beberapa parameter pertumbuhan, dan faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan
5 Untuk produksi biomasa, metabolit primer dan metabolit sekunder
6 Kultur akan tumbuh melalui beberapa fase
a. Setelah inokulasi terdapat suatu waktu dimana tidak tampak adanya pertumbuhan. Fase tersebut adalah fase lag yang merupakan waktu beradaptasi.
b. Di dalam proses komersial lama fase lag diusahakan sependek mungkin, yaitu dengan menyiapkan inokulum yang sesuai dan sehat
c. Fase berikutnya terjadi peningkatan kecepatan pertumbuhan, sel tumbuh konstan dan mencapai kecemapat maksimum. Fase ini adalah fase eksponensial.
d. Persamaan untuk fase eksponensial adalah dx/dt =  x
Dimana x : konsentrasi biomasa mikrobia
t : waktu (jam)
 : kecepatan pertumbuhan spesifik (perjam = jam-1)
e. Dalam integrasi maka : xt = xo et
f. Bila digunakan log normal : ln xt = ln xo + t




7 Selama fase eksponensial akan dicapai kecepatan pertumbuhan maksimum (max). kecepatan pertumbuhan maksimum sangat spesifik untuk masing-masing jenis mikrobia. Misal aspegillus nidulans mempunyai max = 0,36; Methylomonas methyanolytica max = 0,53.
8 Mikrobia tumbuh mengkonsumsi makanan dan mengekskresikan hasil akhir. Hasil akhir yang terbentuk dapat mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.
9 Suatu saat pertumbuhan akan berhenti dan bahkan mati. Berhentinya pertumbuhan disebabkan karena :
a. Kekurangan makanan yang tersedia di dalam medium.
b. Terjadi akumulasi produk yang bersifat ototoksik terhadap jasadnya.
c. Kombinasi keadaan tersebut diatas.
10 Untuk mengetahui berapa banyak substrat pertumbuhan diperlukan, dapat dilakukan percobaan pertumbuhan mikrobia dengan menggunakan konsentrasi substrat yang berbeda, hasilnya dapat dinyatakan dalam pesamaan sebagai berikut : x = Y (S0 – St)
x : konsentrasi biomasa yang dihasilkan,
Y : faktor hasil S0 : konsentrasi substrat awal St : substrat tersisa
11 Penurunan kecepatan pertumbuhan dan berhentinya pertumbuhan yang disebabkan karena kekurangan substrat, maka dapat diamati hubungan antara  dan substrat yang tersisa di dalam medium yaitu melalui persamaan Monod (1942) sebagai berikut :


12 St : konsentrasi substrat tersisa Ks : konsentrasi substrat ketika  = ½ max
Ks biasanya digunakan untuk mengukur afinitas atau spesifikasi substrat
a. Kalau nilai Ks rendah artinya bahwa mikrobia tersebut mempunyai afinitas tinggi untuk substrat pertumbuhannya maka kecepatan pertumbuhan tidak terpengaruh oleh kurangnya substrat
b. Kalau nilai Ks tinggi maka mikrobia tersebut mempunyai afinitas rendah untuk substratnya, artinya kecepatan pertumbuhan sangat dipengaruhi oleh konsentrasi substrat yang relatif tinggi. Kecepatan pertumbuhannya rendah.
13 Fase stasioner pada kultur sekali unduh merupakan titik dimana kecepatan pertumbuhan turun menjadi nol.
14 Menurut Bull (1974): fase stasioner merupakan istilah yang salah karena pada fase ini populasi mikrobia tetap aktif melakukan metabolisme dan aktif menghasilkan metabolit sekunder. Maka fase ini dapat dikatakan sebagai fase populasi maksimum.
15 Beberapa contoh metabolit sekunder : Asam giberelat.
16 Berdasarkan tipe produk metabolisme yang dihasilkan selama pertumbuhan, dikenal dua tipe metabolit :
a. Metabolit primer (ensim, asam organik dan alkohol) dihasilkan pada fase eksponensial (trofofase).
b. Metablit sekunder yang dihasilkan selama fase stasioner atau fase idiofase.
17 Kinetika pembentukan hasil akhir (produk) oleh kultur mikrobia yang dihubungkan dengan pertumbuhan : dp/dt = qpx ………..(1)
p : konsentrasi produk
qp : kecepatan spesifik pembentukan produk
18 Hubungan antara pembentukan produk dan produksi biomasa, dapat dinyatakan persamaan : dp/dx = Yp/x
Yp/x : produk yang dihasilkan setelah mengkonsumsi substrat
19 Kalau dp/dx = Yp/x dikalikan dx/dt = x  dp/dt = Yp/x . x ………(2)
20 Gabungan antara (1) dan (2) : qp = Yp/x. 
21 Persamaan di atas dapat dilihat bahwa kecepatan pertumbuhan erat hubungannya dengan kecepatan spesifik pembentukan produk.
Persyaratan yang harus diperhatikan di dalam kultur sekali unduh :
a. Kondisi kultur harus steril sehingga tercapai produksi biomasa yang maksimum
b. Memperpendek fase lag dan memperpanjang waktu eksponensial: diaplikasikan untuk produksi metabolit primer.
c. Memperpendek fase eksponensial: digunakan untuk produksi metabolit sekunder.
d. Fermentasi sekali unduh telah digunakan untuk :
 Produksi biomasa : kondisi kultur yang mendukung populasi sel maksimum.
 Produksi metabolit sekunder: memerlukan kondisi untukmempercepat tercapainya fase stasioner.

Kultur berkesinambungan (cotinuous culture)
1. Penambahan media baru untuk memperpanjang fase eksponensial
2. Penambahan substrat yang terus menerus dengan kecepatan alir tertentu sehingga mencapai keadaan tunak steady state yang artinya pembentukan sel seimbang dengan terlepasnya sel keluar fermentor.
3. Alat turbidostat : sistem yang dilengkapi dengan pengukur turbiditas, signal listrik yang digunakan untuk mengatur aliran media segar kedalam bejana fermentasi.
4. Aliran medium masuk ke dalam fermentor secara berkesinambungan dengan kecepatan tertentu, maka segera tercapai keadaan tunak (steady state), yaitu keadaan dimana pembentukan biomasa baru seimbang dengan hilangnya sel-sel yang keluar fermentor. Aliran medium tersebut erat hubungannya dengan volume fermentor, sehingga menimbulkan kecepatan pengenceran (D):
F : kecepatan alir D = F / V
V : isi fermentor
D : kecepatan alir medium
5. Alat kemostat: alat yang digunakan untuk mengukur pertumbuhan yang dilengkapi dengan bejana penyimpan media, dialirkan dengan kecepatan tertentu, sehingga tidak terjadi akumulasi hasil akhir. Bahkan kemungkinan terjadi pengenceran dan menyebabkan sel terbuang keluar (washed out). Kecepatan pertumbuhan populasi bakteri di dalam kemostat dapat diformulasikan sebagai berikut :
dx
--- = pertumbuhan – yang keluar
dt

dx/dt = X – DX  dx/dt = X (– D) ……………………… (3)
D : kecepatan pengenceran
Pada kondisi tunak (steady state) : dx/dt = 0  X = DX atau  = D
Kecepatan terlepasnya sel (washed out) sama dengan kecepatan pertumbuhan, maka kecepatan pengenceran sama dengan kecepatan tumbuh sel yang ada di dalam kemostat. Hubungan antara waktu generasi dan konsentrasi substrat pembatas pertumbuhan :

 = max s/Ks +s) digabungkan dengan persamaan (3)
dx max s
--- = X (---------- - D ) ………………………(4)
dt Ks + S

 : waktu generasi kultur
max : kecepatan pertumbuhan maksimal
s : konsentrasi substrat
Ks : konstanta konsentrasi substrat pada  = ½ max
Apabila dihubungkan dengan sisa konsentrasi substrat yang dikonsumsi, maka : dS/dt = substrat yang masuk – substrat yang keluar – substrat yang dikonsumsi sel
dS/dt = Dsa – DS - max x/Y (S/Ks + s) ……………… (5)
Pada keadaan tunak ; ds/dt atau dx/dt = 0, maka persamaan (4) dan (5) menjadi : S’ = Ks D / (max – D)
S’ = konsentrasi sisa substrat
X = konsentrasi sel pada kondisi tunak X = Y (So – S’)
Kelebihan kultur berkesinambungan :
a. kesereagaman didalam operasionalnya yang berkaitan dengan produktivitas
b. mudah dikerjakan dengan otomatik
c. mudah terkontaminasi

Kultur terputus (Fed-batch culture)
1. Kultur berkesinambungan terputus adalah sekali unduh yang diberi tambahan makanan secara terus menerus tetapi pengurangan cairan kultur
2. Terjadi peningkatan volume : Xt = Xo + Y (So – St)
3. Konsentrasi biomasa akhir yang diproduksi dimana St = 0 maka Xo adalah lebih kecil dari Xmax : Xmax = Y So
Pada keadaan X = Xmax maka segera medium segar ditambahkan sehingga:
D < Xmax D = F/(V + Ft)
4. Aplikasi kultur berkesinambungan terputus :
a. untuk memelihara kultur aerobik
b. untuk menghindarkan kultur dari pengaruh substansi yang toksik di dalam medium

Latihan soal untuk pertumbuhan
1. Selama pertumbuhan bakteri dalam kultur sekali unduh, biomasa meningkat dari 2,1 mg berat kering sel per ml dalam waktu 15 menit. Hitung kecepatan tumbuh spesifik bakteri tersebut dan waktu bergandanya. Asumsi apa saja yang harus anda kerjakan untuk menghitung parameter pertumbuhan ?
2. pertumbuhan eksponensial menyebabkan populasi bakteri meningkat dari 4 x 108 sel per ml menjadi 6,25 x 108 sel per ml dalam waktu 30 menit. 1012 sel ekivalen dengan 2,5 x berat kering sel. Berapa kecepatan tumbuh dan waktu berganda kultur tersebut.
3. medium segar dialirkan secara kontinyu ke dalam kemostat (V = 3,250 L) dengan kecepatan 15 ml per menit. Berapa kecepatan pengenceran yang terjadi di dalam kemostat tersebut dan berapa waktu tinggal dan waktu berganda kultur pada kondisi tersebut.
4. Pseudomonas sp ditumbuhkan di dalam kemostat dengan glukosa sebagai substrat pembatas pertumbuhannya (So = 10 g l-1). Buatlah plot secara teori bakteri tersebut dalam keadaan tunak (steady state). Hitung berapa kecepatan pengencerannya! Berapa nilai produktivitasnya apabila max = 1 per jam; Ks = 0,1 g.l-1; Y = 0,5 g berat kering per g substrat











POKOK BAHASAN IV
ISOLASI, SELEKSI DAN PENYIAPAN SERTA
PENINGKATAN SIFAT MIKROBIA
Deskripsi Singkat
Isolasi merupakan salah satu tahapan seleksi mikrobia yang sangat potensial dalam Industri. Isolat mikrobia yang diperoleh dan bersifat unggul digunakan untuk memproduksi senyawa yang bersifat komersial.
Metode isolasi mikrobia dapat menggunakan cara Crowded Plate Technique, Auxonography, dan kultur diperkaya. Penyimpanan kultur hasil isolasi diusahakan untuk mengurangi terjadinya pengurangan sifat genetik, mencegah terjadinya kontaminasi serta menjaga viabilitas.
Teknik penyimpanan kultur mikrobia melalui cara disimpan pada suhu rendah atau dalam bentuk kering. Penyimpanan mikrobia dalam suhu rendah meliputi penyimpanan dalam media agar miring, spora dalam pasir steril, dalam nitrogen, sedang penyimpanan dalam kondisi kering, contohnya kultur pasir dan lyophilisasi.
Mikrobia yang berperan dalam industri perlu ditingkatkan aktivitas metabolismenya, sebab isolat alami hanya mampu menghasilkan produk dalam jumlah sedikit. Caranya dengan transformasi lisogeni, rekombinasi dan pembuatan mutan auxotrof.


Tujuan Instruksional khusus
Mahasiswa setelah mempelajari pokok bahasan IV mampu mengisolasi dan seleksi serta meningkatkan aktifitas mikrobia dan penyimpanannya.

1. Metoda penemuan mikrobia baru
Kultur baru dapat diisolasi dari sumber di alam yaitu substrat alami material organik, biji-bijian, dan air, tanah, udara. Contoh Penicellium notatum dari kontaminan pada media agar yang ditumbuhi Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis dan B. licheniformis penghasil protease alkaline diisolasi dari hippopptatmus burung di Copenhagen.
2. Metoda isolasi dari tanah.
a. Crowded plate technique untuk mendapatkan isolat jamur penghasil antibiotik dengan cara taburkan jamur diinokulasi bakteri uji (Staphylococcus aureus).
b. Auxonography untuk isolasi mikrobia penghasil faktor tumbuh. Tanah yang telah disuspensikan dituang dipermukaan agar yang telah diinokulasi dengan bakteri auxotrof = (bakteri pengguna faktor tumbuh/vitamin atau asam amino)
c. Kultur diperkaya
Untuk isolasi mikrobia penghasil ensim dalam media diperkaya dengan esktrak substrat yang ditumbuhi oleh mikrobia yang akan diisolasi, misal ditambah ekstrak tanah.

3. Penyimpanan mikrobia yang penting dalam industri
Mikrobia komersial adalah sangat penting untuk industri fermentasi,
Penyimpanan kultur dengan beberapa cara :
a. Penyimpanan dalam nutrien agar miring lalu disimpan dalam refrigerator (50 C) atau freeezer (-200 C), kapas dibakar kemudian ditutup dengan mineral oil.
b. Penyimpanan spora jamur benang dalam akuades steril disimpan pada suhu 50 C, cara ini jarang dipakai.
c. Penyimpanan mikrobia dalam nitrogen cair. Mikrobia disimpan dalam freezer suhu -1500 C sampai -1960 C.
d. Penyimpanan mikrobia dalam bentuk dehidrasi
1. Penyimpanan ini digunakan untuk aktinomesetes dengan menumbuhkan dalam media, lalu dikeringkan pada suhu kamar selama 2 minggu atau dalam refrigerator.
2. Lyophilisasi (freeze-drying)
Penyimpanan mikrobia menggunakan CO2 kering, dalam kondisi vaccum, penyimpanan ini, kultur ditumbuhkan sampai fase stationer maksimum dan sel dilindungi dalam media susu, serum dan sodium glutamat
4. Peningkatan aktivitas mikrobia
a. Pembuatan mutan autro dengan dua sistem , yaitu sistem regulasi iso ensim dan multi valent regulator
b. Transformasi buatan dan alami. Bila transformasi buatan, DNA diekstraksi lalu dipindahkan ke media yang ditumbuhi mikrobia resipiennya. Contoh: transformasin Streptomyces ini dapat mensintesa streptomisin dan chlortetracyclin
c. Lisogeni
Metode ini dipakai untuk menghasilkan strain baru menggunakan phage. Contoh Streptomyces olivaccus penghasil antibiotik, strain baru kemampuan lebih besar dari pada kultur induknya. Contoh lain strain lisogeni mampu menghasilkan tirosin 10 kali lebih besar
d. Rekombinasi.
Cara reombinasi dari dua spesies mikrobia dapat digunakan untuk membuat rekombinasi baru. Pembuatan rekombinasi baru ini melalui proses seksual. Contoh : Streptomyces rimosus dikombinasi dengan strain penghasil oxitetracyclin.






Latihan soal pokok bahasan IV
1. Jelaskan cara isolasi bakteri dari tanah, sampai mendapatkan biakan murni?
2. Apakah perbedaan antara crowded plate technique dan Auxonagraphy
3. Pilihlah penyimpanan kultur yang paling murah dan mudah dikerjakan
4. Jelaskan salah satu cara peningkatan kultur mikrobia untuk mendapatkan strain unggul?
5. Apakah yang dimaksud dengan :
a. lisogeni
b. transformasi
c. lyophilisasi


























Pokok Bahasan V
RANCANG BANGUN BIOREAKTOR
Deskripsi singkat
Bioreaktor (fermentor) merupakan bejana fermentasi aseptis untuk produksi senyawa oleh mikrobia melalui fermentasi. Kendala yang timbul adalah terjadinya kontaminasi selama proses fermentasi terutama bila sistemnya berkesinambungan (kontinyu)
Bioreaktor dirancang untuk proses fermentasi secara anaerob dan aerob. Apakah sistem sekali unduh berkesinambungan atau nutrien terputus. Fungsi bioreaktor adalah untuk menghasilkan produk oleh mikrobia baik kultur murni atau campuran, yang dikendalikan menggunakan sistem komputer dalam mengatur faktor lingkungan dan pertumbuhan serta kebutuhan nutriennya.
Rancangan dan kontroksi bioreaktor perlu diperhatikan tentang bejana harus dapat dioperasikan dalam jangka waktu lama, serasi dan afitasi memadai untuk kelangsungan proses metabolik mirkobia, sistem kontrol suhu, pH dan penambahan nutrien, bejana harus dapat dicuci dan disterilisasi fasilitas sampling harus ada konsumsi tenaga serendah mungkin, bahan kontroksi murah dan evaporasi diusahakan tidak terlalu besar.
Macam-macam bioreaktor ada empat yaitu :
Bioreaktor tangki adukan (stirred tank bioreaktor), kolum gelembung (Bubble
colum bioreaktor), dengan pancaran udara (Airlift bioreaktor) dan bioreaktor terkemas padat (Packed bed bioreaktor)

Tujuan Instruksional khusus
Mahasiswa mampu menyeleseikan fungsi bioreaktor dan mengetahui bentuk dan macam bioreaktor serta operasi pengendaliannya.
Suatu kebutuhan untuk melangsungkan dan pengembangan proses untuk produksi hasil fermentasi yang melibatkan mikrobia adalah bejana fermentasi yang aseptis, disebut FERMENTOR atau BIOREAKTOR
Apakah FERMENTOR atau BIOREAKTOR ?
־ Bejana untuk melaksanakan proses industri
־ Ukuran bervariasi : 5- 10 liter untuk skala laboratorium
10 – 500 liter untuk skala percobaan
50- 400.000 liter untuk skala industri besar
־ Ukuran bioreaktor tergantung pada :
• Proses : sekali unduh, berkesinambungan, nutrien terputus.
• Bagaimana proses yang dioperasikan : pancaran ke bawah (down flow) atan pancaran keatas (up flow)
• Produk yang diproduksi
No. Ukuran fermentor Produk
1.
2.
3.
4. 1 – 20.000
40 – 80.000
100 – 150.000


lebih dari 450.000 Ensim diagnostik, substansi biologi molekuler
Ensim dan antibiotik
Penisilin, antibiotika aminoglikosida, protease, amilase, transfomasi steroid, asam amino
Asam amino, asam glutamat

• Proses yang berlangsung selama produksi : proses aerobik, anaerobik.
• Proses kultur tungal atau kultur campuran
Fungsi Dasar Fermentor atau Bioreaktor
־ Suatu tempat yang menyediakan lingkungan yang tepat dan dapat dipantau untuk pertumbuhan dan aktivitas mikrobia atau kultur campuran tertentu untuk menghasilkan produk yang diinginkan.
־ Desain dan konstruksi bioreaktor harus memperhatikan beberapa hal :
a. Bejana dapat dioperasikan dalam keadaan aseptis untuk jangka waktu lama.
b. Aerasi dan agitasi cukup memadai untuk kelangsungan proses metabolik mikrobia.
c. Konsumsi tenaga serendah mungkin.
d. Sistim kontrol temperatur, pH harus ada.
e. Fasilitas untuk sampling harus ada.
f. Evaporasi diusahakan tidak terlalu besar.
g. Bejana harus dapat dicuci, dibersihkan dan mudah dipelihara, mempunyai geometri yang sama baik untuk laboratorium maupun skala industri.
h. Dikonstruksi dari bahan yang murah.
Karakteristik fermenter
־ Fermentor anaerobik memerlukan alat khusus kecuali untuk menghilangkan panas.
־ Fermentor aerobik memerlukan alat untuk mengaduk dan memberikan aerasi cukup.
־ Konstruksi fermentor aerobik
־ Tebuat dari baja anti karat.
־ Berupa silinder besar, tertutup di bagian atas atau bawah, dilengkapi pipa-pipa (Gambar 1).
־ Bagian fermentor terpenting: sistem aerasi berperan dalam transfer oksigen dari bentuk gas ke bentuk cair.
Karena oksigen itu tidak mudah larut dalam air, maka perlu agitasi atau pengadukan atau disebut impeller dan sparger (alat untuk memecah gelembung udara yang masuk melaluinya)
־ Process control and monitoring meliputi :
־ Pantauan proses : untuk memantau aktivitas mikrobia dalam fermentasi seperti yang diinginkan.
־ Kontrol : pH, temperatur, masa sel dan konsentrasi produk
־ Kontrol komputer proses fermentasi untuk :
־ Memperoleh data yang menunjukkan perubahan selama fermentasi.
־ Mengendalikan faktor lingkungan yang harus selalu dipantau

Peningkatan kinerja fermentor/bioreaktor (Scale-up)
־ Beberapa aspek mikrobiologi industri adalah perpindahan dari skala laboratorium ke skala industri. Prosedur ini disebut peningkatan proses (scale-up)
־ Mengapa scale up itu sangat penting
־ Karena aktivitas masing-masing mikrobia pada fermentor skala laboratorium itu sama
־ Mengapa proses mikrobia berbeda antara skala industri dengan skala laboratoirum?
־ Mengapa pengetahuan scale up sangat esensial?
־ Pengadukan dan oksigen lebih mudah ditangai pada fermenter kecil.

Kalau ukuran fermentor ditingkatkan,
־ Maka perbandingan antara permukaan/volume berubah.
־ Bioreaktor besa maka volume meningkat, memberikan area permukaan yng meluas.
־ Fransfer lebih oksigen sukar terjadi.
־ Hampir semua bioreaktor pada umumnya aerobik maka transfer oksigen yang efektif sangat diperlukan.
־ Perlu media yang kaya sehingga terjadi peningkatan biomasa yang perlu oksigen lebih besar.
־ Scale up proses industri merupakan tanggung jawab insinyur biokimia karena mereka ahli dalam transfer oksigen, dinamika cairan, pengadukan dan termodinamika, bekerja sama dengan ahli mikrobiologi industri untuk memastikan semua parameter yang diperlukan sehingga menghasilkan proses fermentasi berlangsung dengan baik.
־ Ahli mikrobiologi industri sangat diperlukan dalam scale-up yaitu berperan untuk meningkatkan strain mikrobia yang tepat yang diaplikasikan pada proses skala besar.
־ Transfer proses dari laboratorium ke bioreaktor skala industri, beberapa tahapan proses yang harus diperhatikan :
1. Tahap percobaan di laboratorium: menunjukkan indikasi fermentasi menarik untuk diaplikasikan ke industri.
2. Percobaan tahap awal di laboratorium untuk optimasi pertumbuhan dan aktivitas mikrobia peningkatan proses, menggunakan fermentor gelas (1-5 liter). Percobaan di laboratoirum, meliputi menguji berbagai macam media, temperatur, pH, dan sebagainya semurah mungkin (Gambar 1).
3. Tahap percobaan lapangan (pilot plant stage) biasanya menggunakan bioreaktor 300 – 3.000 liter. Pada tahap ini kondisi mendekati dengan skala industri.
4. Tahap komersial atau industri, menggunakan fermentor 10.000 – 400.000 liter.
Aerasi dan agitasi
־ Aerasi diperlukan untuk pengadaan oksigen yang cukup demi kelangsungan hidup mikrobia yang ditumbuhkan dalam medium cair (kultur tenggelam- submerged culture)
־ Agitasi diperlukan untuk mencampur semua isi bioreaktor sehingga diperoleh kondisi homogen
Tipe sistem aerasi dan agitasi sangat tipikal tergantung pada karakteristik proses fermentatif yang diinginkan. Aerasi dapat diadakan dengan mengalirkan udara steril melalui aerator, kemudian gelembung udara dibuat sekecil mungkin, sehingga memungkinkan terjadi oksigen udara masuk ke fase cair. Gelembung udara dapat diperkecil melalui alat yang porus disebut sparger. Agitasi selain berfungsi sebagai pengaduk (agitator) juga dapat berfungsi untuk memecah gelembung yang lewat di dalam medium. Agitator atau disebut impeller ini khususnya didesign khusus yang diperlukan untuk fermentor yang digunakan untuk menumbuhkan fungi atau aktinomisetes.
Komponen utama struktur fermentor yang diperlukan aerasi dan agitasi :
a. Agitator (impeller)
b. Pengaduk
c. Sistem aerator
d. Saringan halus atau penyekat (baffle)

Macam-macam reaktor
1. Bioreaktor tanki adukan (stirres tank bioreactor), udara disirkulasikan melalui medium yang diaduk dengan impeller.
2. Biorekator kolum gelembung (Bubble column bioreactor): udara dialirkan melalui sparger di dasar bejana.
3. Bioreaktor dengan pancaran udara (Airlift bioreactor): terdiri dari dua kolum yang dimasukkan ke dalam kolum yang lain. Udara dipaksa masuk melewati pipa sehingga udara dapat terpancar keatas dan medium ikut terbawa.
4. Bioreaktor terkemas padat: diisi dengan bahan padatan yang dapat menjaring mikrobia masuk kedalamnya. Medium dapat dipompakan melalui mikrobia dengan arah ke atas atau ke bawah (Gambar 2).

Latihan soal :
1. Mengapa bejana fermentasi disebut dengan fermentor atau bioreaktor
2. Jelaskan perbedaan fermentor aerob dan anaerob
3. Sebutkan faktor-faktor yang perlu diperhatikan dalam merancang
fermentasi.
4. Apakah yang dimaksud dengan :
a. Scale-up
b. Agitasi.
c. aseptis



BAB VI. PENGUNDUHAN DAN PURIFIKASI
Deskripsi Singkat
Ekstraksi dan purifikasi produk fermentasi biasanya sulit dilakukan dan biayanya mahal. Pada kenyataannya salah satu cara untuk mendapatkan produk yang berkualitas tinggi dan cepat diharapkan biayanya murah.
Kebanyakan produk fermentasi dihasilkan kedalam media dan ekstraksi dari sel. Pungunduhan produk mikrobia memerlukan biaya sebanyak 20% sampai 605 dari biaya produksi. Pengunduhan produk didasarkan atas beberapa kriteria : produk ekstra selular atau infraseluler, konsentrasi produk dalam media fermentasi, sifat fisik dan kimia produk, kemurnian dalam media, standardisasai permintaan, kegunaan dari produk dan harga produk dipasaran.

Tujuan Instruksional Khusus
Mahasiswa mampu menjelaskan padatan sel dan buih, presifikasi, sentrifuge, ultrasentrifuge, pemecahan sel, penggunaan solven, kromatografi, penyaringan dan kristalisasi.

Produk diekstraksi dari medium dipisahkan dari sel. Berat molekul produk asam laktat dan asam glutamat rendah, seang antibiotik atau ensim konsentrasinya tinggi. Tapi konsentrasi vitamin B12 rendah, yaitu hanya mgr per liter.











1. Pengunduhan produk ekstraseluler dapat digambarkan sebagai berikut :
Kultur fermentasi farksi larut
Produk
diencerkan

Sel dan bahan
tak larut


Pemurnian

PRODUK AKHIR
2. Pengunduhan produk yang tidak larut :

Gravitasi Mekanik Penyerapan
permukaan Listrik

sentrifugasi flokulasi absorpsi flotasi

filtrasi dialisa permukaan ion
elektro-elektro-elektro
foresis dialisa osmosis

3. Contoh pengunduhan mikrobia dengan cara sentrifugasi
Mikorbia Diameter () Metode

Virus, phage
Bakteri
Khamir
Fungi filamentous
0,01 – 0,1
0,30 – 3,0
4,00 – 7,0
10,0 – 150
Ultrasentrifugasi

Normal
Normal
Normal

4. Flokulasi sangat esensial untuk bir
Senyawa flukulan : aluminium sulfat (0,1 – 0,5 %), CaCl2 (0,1 – 0,5 %), titanium tetrakloride (0,01 – 0,02 %), garam alkylamin dan alkylpyridinium digunakan 0,01 % - 1,0 %.

Latihan Soal Pokok Bahasan VI
1. Jelaskan perbedaan antara pengunduhan senyawa ekstraseluler dan intraselular?
2. Bagaiman car mendapatkan senyawa metabolit primer supaya mendapatkan produk dalam jumlah besar?
3. Jelaskan cara pemisahan biomassa jamur benang dalam memproduksi pinisilin?
4. Jelaskan cara pemisahan produk metabolit secara kimiawi?
5. Apakah yang dimaksud dengan :
a. Purifikasi
b. Ekstraksi
c. Fase idiofase



Pokok Bahasan VII
FERMENTASI METABOLIT PRIMER

Deskripsi singkat
Metabolit primer adalah senyawa yang termasuk produk akhir yang mempunyai berat molekul rendah dan dihasilkan pada fase eksponensial oleh mikrobia .
Senyawa metabolit primer di gunakan untuk membentuk makromolekul atau yang dikonversikan menjadi koenzim senyawa antara seperti asam amino nukletida purin, pirimudin, vitamin, asam organik, seperti asam sitrat, asam fumarat, aseton butanol asam asetat dan enzim termasuk metabolit primer.
Metabolit primer lainnya adalah yang termasuk senyawa antara pada jalur reaksi Embden Meyerhof, jalur pentosafozfet, dan siklus asam triherboksilat (Siklus Krebs). Untuk produksi senyawa metabolit primer dipilih mikrobia yang potensial untuk fermentasi.
Tujuan Intruksional khusus
Mahasiswa mampu menjelaskan fermentasi metabolit primer misalnya aseton butanol, asam cuka, asam sitrat, etanol, enzim dan vitamin
Fermentasi Aseton Butanol oleh Bakteri
Bakteri yang berperanan dalam fermentasi aseton butanol adalah Clostridium acetobutyricum, Clostridium butyricum. Inokulum Clostridium acetobutyricum jika dipakai berkali-kali sifatnya menurun, maka diperlukan HEAT SHOCKING.
־ Bahan dasar yang digunakan : padi, tepung tapioka, arabinosa, xylosa
־ Sumber nitrogen yang dibutuhkan : protein, pepton, dan asam amino
־ Kondisi fermentasi ; suhu optimum 37o C, anaerob, pH 4,7-8, konsentrasi bahan dasar 3 – 10 %.
־ Produk akhir : fermentasi aseton butanol dari glukosa menghasilkan n-butanol 8 bagian, 3 bagian aseton dan 1 bagian etanol. Bila menggunakan xylosa, sukrosa, dan lefulosa sama hasilnya dengan glukosa. Sedang bila bahan dasarnya arabinosa akan menghasilkan rasio butanol : aseton : etanol = 5 : 4 : 1

Fermentasi Asam Cuka
Kata vinegar (cuka) berasal dari istilah Perancis vinaigre yang berarti anggur asam. Menurut Food and Drugs Administration di Amerika Serikat, cuka, cuka sari buah apel, cuka apel, dibuat melalui fermentasi alkoholik sari buah apel diikuti fermentasi asetat (Pelczar and Chan, 1988). Sedangkan menurut Frazier (1976), cuka didefinisikan sebagai bumbu yang dibuat dari bahan yang mengandung pati atau gula dengan fermentasi alkohol diikuti oksidasi asetat.


A. Bahan dasar
Ada bermacam-macam cuka, perbedaannya terutama terletak pada bahan yang dipakai dalam fermentasi alkohol, seperti macam sari buah, sirop, dan bahan yang mengandung pati yang dihidrolisis. Bermacam-macam bahan yang dapat dibuat menjadi cuka diantaranya adalah :
1 1. Sari buah-buahan, misalnya apel, anggur, jeruk, dan sebagainya.
2 2. Sayur-sayuran yang mengandung pati, misalnya kentang atau kentang . manis, yang mana pati harus dihidrolisis menjadi gula lebih dahulu.
3. Biji-bijian gandum, seperti barley, gandum hitam, jagung, dan gandum.
3 4. Minuman keras atau alkohol, misalnya dari bir, atau dari etil alkohol . . yang berubah sifat.
B. Mikrobia yang berperan
Mikrobia yang berperan dalam proses pembuatan cuka adalah khamir dan bakteri. Khamir yang berperan adalah Saccharomyces cerevisiae Var. ellipsoideus. Sedangkan bakteri yang berperanan adalah dari genus Acetobacter (familia Pseudomonadaceae) dan genus Bacterium. Beberapa spesies Acetobacter diantaranya adalah : Acetobacter aceti, A. rancens, A. xylinum. Bacterium yang ditemukan adalah : Bacterium schentzenbachii, B. curvum, dan B. orleanense
1.Proses pembuatan
Pada proses pembuatan cuka terjadi 2 macam perubahan biokimiawi, yaitu :
1. Fermentasi gula menjadi etil alkohol, dan
2. Oksidasi alkohol menjadi asam asetat
Tahap pertama adalah proses anaerobik yang dilakukan khamir dan menghasilkan alkohol
Reaksi : C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH
Glukosa alkohol
Pada proses ini sejumlah kecil produk lain dihasilkan, seperti gliserol dan asam asetat. Juga ada sejumlah kecil substansi lain, dihasilkan dari senyawa selain gula, termasuk asam suksinat dan amil alkohol.
Alkohol yang dihasilkan pada proses pertama digunakan sebagai sumber energi bagi bakteri, yang kemudian mengoksidasinya menjadi asam asetat. Bakteri ini menggunakan substansi lain dalam cairan yang difermentasi sebagai makanan.
Reaksi yang merupakan reaksi aerob ini dapat dituliskan sebagai berikut :
C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O
Alkohol asam asetat
Asetaldehid adalah senyawa intermedier dalam reaksi ini. Di antara produk akhirnya adalah sejumlah kecil aldehid, ester, aseton, dan sebagainya.
Bau cuka yang sedap berasal dari adanya bermacam-macam ester seperti etil asetat, dari alkohol, gula, gliserin dan minyak menguap yang dihasilkan dalam julah kecil oleh aksi mikrobia. Bau ni dapat juga berasal dari sari buah-buahan yang difermentasi, gandum, atau cairan bersifat alkohol lainnya, dari mana cuka dibuat.
Metode pembuatan cuka dapat dibedakan menjadi metode lambat seperti yang dikerjakan di rumah, atau metode let alone, metode Perancis atau Orleans, dan metode cepat, seperti proses pembuatan dengan genera atau prosedur fogging. Pada metode lambat, cairan alkohol tidak bergerak selama asetifikasi, sedangkan pada metode cepat, cairan alkohol bergerak. Metode lambat menggunakan sari buah-buahan yang difermentasi atau cairan gandum untuk menghasilkan asam asetat. Sedangkan metode cepat kebanyakan untuk menghasilkan cuka dari minuman keras (alkohol). Cairan gandum atau buah disediakan untuk makanan bakteri cuka, tetapi untuk memelihara bakteri cuka aktif dalam metode cepat menggunakan alkohol, ditambah dengan vinegar food, yang merupakan kombinasi senyawa organik dan anorganik.
Prosentase cuka dinyatakan dalam grain, yaitu 10 kali jumlah gram asam asetat per 100 ml cuka. Jadi cuka 40 grain mengandung 4 gram asam asetat per 100 ml cuka pada suhu 200 C.

3.Penyebab kerusakan cuka
Logam dan garam-garamnya menyebabkan kekeruhan dan perubahan warna cuka. Kerusakan yang disebabkan mikroorganisme dapat menyebabkan rendahnya mutu bahan dari mana cuka dibuat atau rendahnya mutu cuku itu sendiri. Spesies Lactobacillus dan Leuconostoc dalam sari buah-buahan tidak hanya bertanggung jawab pada rasa tidak enak, tetapi juga menghasilkan asam asetat yang cukup mengganggu fermentasi alkohol oleh khamir. Pada keadaan anaerob, bakteri asam butirat menghasilkan asam yang tidak diinginkan. Kesulitan ini dapat dikurangi dengan penambahan sulfur dioksida pada sari buah, tetapi kemikalia ini menghambat bakteri cuka.
Kerusakan cuka diantaranya adalah rusaknya asam asetat pada produk. Lapisan tipis bakteri pada proses pembuatan cuka mengurangi kecepatan asetifikasi. Oksidasi asam asetat dalam cuka menjadi karbondioksida dan air dapat ditimbulkan oleh bakteri asam asetat sendiri selama proses pembuatan cuka jika kekurangan alkohol atau aerasinya berlebihan. Organisme lain yang dapat mengoksidasi asam asetat pada keadaan aerob adalah lapisan khamir, jamur benang dan algae.

5.Fermentasi Asam Sitrat oleh Jamur Benang
Asam sitrat dihasilkan oleh Penicillium luteum, Mucor puriformis, Aspergillus niger.
Faktor yang menentukan dalam fermentasi asam nitrat :
6. Sumber C
2.Garam organik
4 3. Perbandingan permukaan dengan volume medium
4.pH, suhu, dan oksigen
5.Organisme
Ad. 1. Senyawa organik yang mempunyai senyawa atom C 2,3,4,5,6,7, dan 12. Banyak digunakan sukrosa, fruktosa, laktosa, dan glukosa. Konsentrasi gula 14 – 20 %.
Ad. 2. Garam organik setiap liter memerlukan NH4NO3: 2 – 2,5 gram, KH2PO4: 0,75 – 1,0 gram, MgSO4 7H2O: 0,2 – 0,25 gram, HCl 5 N sebanyak 5 cc, pH 3,4 -3,5.
Ad. 3. Perbandingan permukaan dan volume.
Apabila volume media besar kemudian permukaannya dalam asam sitrat yang terbentuklambat, sedang bila permukaan luas akan terbentuk asam sitrat lebih cepat.
Ad. 4. Persediaan oksigen
Oksigen dibutuhkan untuk pertumbuhan jamur Aspergillus niger, Aspergillus wentii. Erlenmeyer diberi oksigen 15 ml per menit. Suhu digunakan 25 – 350 C. Lama fermentasi 7 – 10 hari. Produk diambil dengan menambahkan Ca, lalu Ca sitrat diendapkan dngan asam sulfat, lalu asam sitrat dipisahkan dari kalsium sulfat.


5. Aktivitas Khamir dalam Fermentasi Minuman beralkohol
Pendahuluan
Hampir sebagian besar industri minuman beralkohol menggunakan produk pertanian sebagai bahan mentah dan khamir yang mengkonversikan menjadi minuman. Semua bahan organik yang terkandung dalam produk pertanian khususnya buah-buahan demikian ada beberapa aktivitas khamir yang tidak diinginkan karena khamir tersebut sebagai agen pembusuk buah. Proses akibat aktivitas khamir yang telah lama dikenal adalah fermentasi bir dan minuman anggur (wine). Proses tersebut melibatkan khamir yang secara alami banyak terdapat dalam buah-buahan atau biji-bijian yaitu genus Saccharomyces. Beberapa jenis khamir yang terlibat dalam fermentasi minuman beralkohol tercantum pada tabel 1
Tabel 1. Fermentasi yang dilakukan oleh khamir
Produk fermentasi Mikrobia
Bir
Anggur (wine)
Cider
Sake dari beras
Tuak
Madu difermentasikan
Tape

Kumiss dari susu (Rusia)
Kecap
Miso dari kedelai dan beras Saccharomyces carlbegensi dan S. cerevisieae
Saccharomyces cerevisieae var. ellipsoides
Saccharomyces cerevisieae var. ellipsoides
Saccharomyces sake dan Aspergillus
Saccharomyces cerevisieae dan Schyzosacharomyces
Saccharomyces cerevisieae
Saccharomyces cerevisieae, Candida tropicalis dan
Pediococcus
Saccharomyces cerevisieae, Lactobacillus
Saccharomyces dan Aspergilllus oryzae
Saccharomyces rouxii, Aspergilllus oryzae

Fermentasi bir
Minuman fermentasi yang tertua adalah bir :
Pada tahun 4000 SM bir dibuat dari :
־ Gandum (barley), padi-padian atau bijian yang lain, yang diolah menjadi roti, kemudian dihancurkan disuspensikan dengan air dan difermentasikan.
־ Rasanya ada yang manis dan ada yang masam.
־ Sebelum tahun 700, bir dibuat dari :
־ Biji-bijian tanpa ditambah hop (bunga) sehingga rasanya berbeda dengan bir sekarang
־ Ditambah rempah-rempah.
־ Pada abad ke 15, bir telah menggunakan hop
־ Sekarang bir terbuat dari :
־ Kecambah gandum (malt), tepung beras atau jagung, air, hop.
־ Difermentasikan dengan menggunakan khamir
־ Mekanisme proses fermentasi bir tersbut :
־ Pati dari kecambah gandum, beras atau jagung dikonversikan menjadi maltosa dan dekstrin yang dibantu oleh ensim yang terdapat dalam kecambah gandum.
־ Campuran karbohidrat yang diperoleh tersebut dalam bentuk larutan yang disebut worl, direbus bersama-sama dengan hop, didinginkan
־ Difermentasikan menjadi bir yang beralkohol, CO2 dan sisa-sisa dekstrin.
־ Bir telah jadi mengandung :
a. Air, dekstrin, alkohol dan CO2
b. Gula-gula yang tak dapat difermentasikan, protein dan senyawa aromatik yang berasal dari resin hop
c. Dan hasil samping minyak fussel
Proses-proses penting dalam pembuatan bir :
1. Malting : perkecambahan barley di rumah kecambah gandum (Malthouse)

(Gambar 1).



Sampai 3 hari

ditapis
5 sampai 7 hari

dengan 45 % air
00 C untuk malt encer (agak . jernih)
50 C untuk malt kental

dengan 3-4 % air



KE TEMPAT FERMENTASI

2. Kecambah gandum berisi :
־ Ensim yang merombak pati dari malt itu sendiri dan pati-pati yang ditambahkan (beras atau jagung)
־ Sumber protein bir yang penting artinya untuk pembentukan buih
־ Memberikan aroma yang tipikal
3. Proses perkecambahan barley
a. Barley dicuci, direndam ari sehingga memungkinkan baley berkecambah
b. Air ditapis
c. Perkecambahan dilanjutkan sampai 5 atau 7 hari
d. Selama perkecambahan, β-amilase, dan terbtnuk ensim baru yaitu α-amilase
e. α-amilase berperan menyerang pati yang ada disekitarnya, hanya menyerang pada (rantai C yang laurus) dan tidak mampu menyerang rantai C yang bercabang (amilodekstrin). β-amilase berperan dalam pembentukan gula akhir.
f. Ensim lain yaitu :
־ Protease meningkatkan ke larutan protein
־ Sitase yang mendegradasikan beberapa gum pentosan
־ Filase yang melepaskan gugus fosfat dan inositol
4. Pemasakan atau pemanasan
a. Selama pemanasan sering timbul reaksi pencoklatan (browning) karena melanoidin meningkat
b. Melanoidin sangat penting untuk memberi warna dan aroma yang khas.


5. Komposisi bir : alkohol 3,8 % - 5 %
Dekstrin 4,3 %
Protein 0,3 %
Abu 0,3 % dan CO2
6. Mikrobiologi brewing
a. Khamir sangat menentukan kualitas bir: memberikan aroma dan sejumlah oligosakarida yang tidak terfermentasikan.
b. Pada bir lager menggunakan S. carlsbergensis yang mampu memfermentasikan melibiosa dan gas; sedangkan S. cerevisieae tidak mampu memfermentasikan melibiosa.
c. Selama proses fermentasi gula dikonversikan menjadi alkohol, CO2 dan sedikit gliserol, serta asam asetat dari hasil fermentasi karbohidrat yang lain. Protein dan lipid yang terkandung di dalam wort sebagian difermentasikan menjadi alkohol, asam dan ester yang memberikan aroma yang khas. Bir yang dihasilkan berwarna hijau, maka perlu pemeraman lebih lanjut (aging)
d. Selama aging protein, khamir dan resin dipresipitasikan sehingga beir menjadi masak dan jernih dengan aroma yang lembut. Bir tersebut diunduh dengan melalui penyaringan, kemudian diinjeksi dengan CO2 agar terbentuk buih-buih (sparkling). Pada umumnya CO2 yang terbentuk selama fermentasi ditampung ke dalam bejana yang kemudian diijeksikan kembali setelah proses akhir. Kandungan CO2 di dalam bir sekitar 0,45 % - 0,5 %. Beberapa industri bir sering menambah sedikit gula kedalam masing-masing botol untuk mempertahankan proses fermentasi tetap berlangsung.
e. Proses terakhir adalah bottling dan pasteurisasi sekitar 60-65 0C kemudian disaring.
f. Mengapa tidak banyak mikrobia mengkontaminasi bir :
־ Khamir menggunakan O2 dengan cepat dan menghasilkan CO2
־ Hop mengandung α-resin dan humulon yaitu senyawa antimikrobia khususnya terhadap bakteri gram positip
־ Bir mempunyai pH asam (3,7 – 4,5)
־ Alkohol yang dihasilkan juga mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.
־ Bir disimpan pada suhu dingin.
g. Kontaminan selama brewing bir : Lactobacillus pastorianus dan Pediococcus cereviseae, Flavobacterium proteus.
h. Fermentasi dilakukan pada suhu rendah, sekitar 2 minggu untuk produksi bir
i. Produksi komersial bir dilakukan :
־ Dengan proses sekali unduh
־ Dengan proses berkesinambungan : penambahan substrat baru dilakukan secara terus menerus.

j. Macam-macam bir :
1. Lager bir : fermentasi yang melibatkan bottom yeasts dan tak berspora : S. carlsbergensis.
2. Ale : fermentasi bir yang melibatkan top yeasts dan berspora : S. cerevisieae mempunyai kandungan alkohol cukup tinggi.
3. Bir Pilsener (dari Chekoslovakia) : warna jernih, kering (dry) karena mengandung gula yang difermentasikan rendah, mempunyai aroma hop tajam.
4. Minuman malt : kandungan alkohol lebih tinggi dari pada bir
5. Bir non karbohidrat: bir yang dibuat dari larutan karbohidrat dimana semua dekstrin dihidrolisa oleh ensim menjadi maltosa dan glukosa.

Fermentasi anggur (wine)
Semua fermentasi alkohol memerlukan substrat gula dan untuk produksi wine menggunakan sari buah anggur (Vitis vinifera). Buah tersebut merupakan medium yang baik :
a. Kandungan nutrien cukup tinggi
b. Mempunyai keasaman yang tinggi sehingga dapat menghambat pertumbuhan mikrobia yang tidak diinginkan.
c. Kandungan gula cukup tinggi
d. Mempunyai aroma yang sedap.
Fermentasi anggur dilakukan penambahan SO2 ke buah anggur dengan tujuan untuk :
a. Mencegah brwoning selama penghancuran buah
b. Menghambat aktivitas khamir lain
Macam-macam wine :
1. Wine putih : anggur yang dibuat dari buah anggur berwarna hijau dan juga warna merah yang telah dikupas kulitnya.
2. Wine menrah : anggur yang dibuat dari keseluruhan buah anggur berwarna merah.
Jenis khamir Terdapatnya
Candida pulcherima (Metschnikovia pulcherima)
Sccharomyces cerevisiae
Kloeckera africana; K. apiculata
S. carlsbergensis; S. rouxii
Torulopsis stelatta Ekstrak (hancuran buah anggur dan wine
Wine klasik
Wine dan buah anggur
Wine dan buahnya
Wine
Wine putih Wine merah





Gambar 2 : Diagram alir pembuatan wine

Cara pembuatan wine (Gambar 2)
1. Buah anggur yang dipetik dari kebun dihancurkan menjadi bentuk cairan yang disebut must.
2. Khamir yang berasal dari permukaan kulit anggur sebagai inokulum dan kadang-kadang diinokulasi dengan S. cerevisieae.
3. Proses fermentasi dilakukan :
a. Red wine :
־ Warna merah terbentuk selama proses fermentsi karena terjadi ekstraksi warna kulit buah anggur oleh alkohol yang terbentuk.
־ CO2 terbentuk selama fermentasi sehingga sisa buahan dan kulit terangkat keatas
־ Lama fermentasi 3 – 5 hari pada 24 – 27 0C
b. White wine :
־ Proses hampir sama dengan red wine tetapi tidak terjadi warna
־ Lama fermentasi 7 – 14 hari pada 10 – 21 0C
־ Kandungan alkohol 19 – 21 %.
c. Memerlukan karbonasi yang dilakukan dengan menginjeksikan CO2 setelah proses fermentasi selesai.



2. ASAM AMINO
Kebanyakan mikrobia mensintesa asam amino yang digunakan untuk biosintesa protein dari glukosa dan ammonium. Asam amino ini sebagai senyawa antara dalam metabolisme, tetapi pada akhir fase exponensial dibebaskan dalam medium walaupun jumlah sedikit.
Di Jepang banyak paten produksi asam amino tetapi hanya asam glutamat dan lisin yang diproduksi oleh industri dalam jumlah besar.

Produksi asam glutamat
Produksi asam glutamat di seluruh dunia lebih dari 100.000 ton per tahun. Monosodium glutamat digunakan untuk penyedap makanan sup.
Asam glutamat dihasilkan oleh mutan Corynebactericum glutamicum sebesar 60 gram/liter, untuk bakterinya sendiri sebesar 300 miligram/liter. Lama fermentasi 40 jam pada suhu 300 C, keasaman medium alkalis dan mengandung biotin (1 – 5 gr/l), glukosa dapat diganti dengan molase. Produksi asam glutamat oleh Corynebactericum glutamicum, sebagai berikut :

Glukose
Fosfoenolpiruvat
CO2Piruvat
CO2
Oxalo asetat Asetyl Co.A
Sitrat
Cis akonitat
Isositrat
CO2
Α-Ketoglutarat
NH4+
Glutamat

3. VITAMIN
Mikrobia prototrof dapat mensintesa semua vitamin, koensim dan faktor tumbuh untuk pertumbuhan dan metaboisme
Sedikit vitamin yang dihasilkan dalam skala industri dapat dilihat tabel berikut :
Jenis vitamin Jenis
Mikrobia
Medium Kondisi fermentasi
Ekstraksi Produkgr/l (%)
Karoten (prekusor vitamin A)
Riboflavin
L-sorbosa (dalam sintesa vitamin C)
5-ketoasam glukolat (dalam sintesa vitamin C) Blakeslea trispora
Myobacterium smignaxtis
Ashbya gassypira
Gluconobacter oxidans
Sub spesies
Suboxidans
Gluconobacter oxidans
Sub spesies
Suboxidans - Molase
- minyak
kedelai
- β-ionon
- Thianin
- glukosa
- kolagen
- minyak
kedelai
- glisin
- D-sorbitol
- 30%
rendaman
jagung
- glukosa
- CaCO3
- air
rendaman
jagung
72 jam
300C, aerob
6 hari
360C, aerob
45 jam
300C, aerob
33 jam
300C, aerob
Solven
Dipanaskan 1200C + reagen untuk pengendapan
Filtrasi dan pemekatan di bawah vaccium
Filtrasi dan pemekatan di bawah vaccium
1 gr/l
0,007 gr/l
4,25 gr/l
70 %
100 %

Biosintesa B12 dihasilkan oleh bermacam-macam bakteri dan Streptomyces. Produksi vitamin B12 menggunakan Propionibacterium.
Seperti dalam dan mikrobia lain seperti berikut ini :
Spesies
Medium
Aerasi Proses
Suhu
(0C) Waktu (jam) Produk
(mg/l)
Bacillus megaterium
Propionibacterium
freudenreichii
Propiobacterium shermanii
Bacillus coagulans
streptomyces oliveseae
Pseudomonans denitrifieans Malase, garam, mi-neral, karbon
Glukosa, cornsteep, hetain kobalt,
pH 7,5
Glukosa, cornsteep, kobalt, pH 7
Asam sitrat, tri etanolamin, kobalt, cornsteep
Glukosa, tepung
Kedelai, koblat, garam mineral.
Asam oksalat, betain, koblat, garam mineral Aerobik
Anaerobik (3 hari) + aerobik (2 hari)
Anaerobik (3 hari) + aerobik (2 hari)
Aerobik
Aerobik
Aerobik
30
30
28
55
28
-18
120
150
18
96
- 0-45
20
23
6,0
5,7
10

4. ENSIM
Produk metabolit yang bersifat primer dan sekunder adalah ensim. Ensim dihasilkan oleh mikrobia dalam industri fermentasi berupa exoensim dan endoensim. Ensim dapat digunakan sebagai komponen pengempuk daging, komponen pembuatan detergen, untuk kebersihan, pembuatn sirup, dan sebagainya.
1. Komposisi media untuk produksi ensim
Kebanyakan ensim mikrobia bersifat hidrolase yaitu ensim indusibel, ensim diproduksi bila diinduksi. Misal ensim β-glactosidase diproduksi dalam media yang mengandung laktosa.
Metoda untuk memperoleh ensim dalam jumlah besar perlu ditambahkan kedalam medium inducer dengan konsentrasi rendah (contoh 0,05 % selobiosa). Pengaruh bermacam-macam inducer terhadap penghasilan ensim sebagai berikut :

Ensim Jenis jamur Benang
Inducer Produ (international unit)
Selulase
Dextranase
Invertase Trichoderma viride
Penicellium funiculosum
Aureobasidium pullulans Selulose
Selobiose
Selobiose diplamitat
Dekstran
Isomaltosa
Isomaltosa dipalmiat
Sukrosa
Sukrosa monopalmiat 22,5
0,2
4,8
1080
2
1098
1,3
108

2. Ensim mikrobia dan kegunaannya
a. Amilase
Strain Bacillus dan Aspergillus menghasilkan beberapa ensim yaitu
1. α-amilase mengkatalisa hidrolisis ikatan α-1,49 glukosidik, berfungsi memecah pati menjadi dextrin dan maltosa
2. Amyloglikosidase yang langsung menghasilkan glukosa dari pati.
3. maltase menghidrolisa maltosa menjadi glukosa.
Amilase yang dihasilkan oleh Aspergillus niger dan A. oryzae digunakan untuk hidrolisa pati menjadi gula
b. Protease
Protease dihasilkan oleh Bacillus subtilis dan Bacillus licheniformis atau A. niger, A. oryzae.
Protease alkalin toleransi pada pH basa dan aktif dalam adanya sodium perborate, sodium aripoyphosphate dan sodium alkylbenzen sulphonat. Prolease alkalin dihasilkan oleh Bacillus dan Streptomyces.

Latihan soal pokok bahasan VII
1. Sebutkan senyawa metabolit primer sebanyak 5 macam dan mikrobia penghasilnya
2. Bedakan antara pembuatan asam cuka metoda cepat dan lambat
3. Jelaskan perbedaan antara Redwizcl dan White Wine
4. Apakah kegunaan penambahan S02 pada ekstrak buah sebagai bahan dasar fermentasi anggur.
5. Mengapa dalam memproduksi enzim tertentu ditambah dengan inducer ?


Pokok Bahasan VIII
FERMENTASI METABOLIT SEKUNDER
Deskripsi singkat
Mikrobia mampu mensintesa senyawa metabolit sekunder pada fase pertumbuhan stationer. Senyawametabolit sekunder digunakan sebagai nutrien darurat untuk mempertahankan hidupnya. Metabolit sekunder itu tergolong dalam antibiotik biopestisida, mikotoksin dan pigmen, alkaloid serta ensim.
Antibiotik yang dihasilkan oleh fungi meliputi griscofulvin, penisilin, cephalosporin, dan asam fusidat dan lain sebagainya. Bakteri juga mampu menghasilkan cyclokeximide, amphoserin, pimaricin, streptomisin, tetrasiklin, khloramfenicol, movabiosin, erithromisin, polimisin dan nisin, Aktinomisetes juga hampir setiap tahunnya menghasilkan 50-100 antibiotik contoh Streptomycesgriseus menghasilkan 40 macam antibiotik yang berbeda.
Biopestisida merupakan senyawa yang dihasilkan oleh mikrobia berdaya insektisida sebagai contoh Bacillus thuringiensis bersifat patogen terhadap larva lepidoptera, Bacillus popilliae patogen terhadap larva lebah. Alkaloid merupakan senyawa yang diproduksi oleh mikrobia dan senyawa ini dapat berperanan sebagai herbisida contohnya Cloviceps purpurea dan C pospali untuk membunuh rumput Pospalum.
Tujuan Instruksional khusus
Mahasiswa mampu menjelaskan tentang fermentasi antibiotik, seperti penisilin dan biopestisida.

A. Penisilin
Pada abad 19 telah diketemukan mikrobia penghambat pertumbuhan mikrobia lain, karena menghasilkan senyawa toksin. Penemuan tersebut disebut pinisilin yang berperanan sebagai antibiotik.
Banyak antibiotik yang dapat digunakan dalam bidang pengobatan yaitu :
־ Senyawa antifungal dan antibacterial yang dihasilkan oleh mikrobia
Jenis mikrobia yang dihambat Senyawa sntibiotik dari
Fungi
Bakteria Griseofulvin
Penisilin
Cephalosporin
Asam fusidat Cycloheximide
Amphosetrim
Pimarcin
Streptomisin
Tetrasiklin
Khloramfenicol
Novobiosin
Erythromisin
Polimysin
Nisin

Alexander Flemming secara kebetulan menentukan Penicellium notatum tumbuh pada kultur Staphylococcus yang menyebabkan terbentuk zone jernih disekitar Penicellium, karena kedua mikrobia tersebut saling bersifat antagonisme. Kemudian setelah senyawa diisolasi ternyata antibiotik penisilin.Florey tahun 1940 menemukan P. chrysogenium penghasil penisilin bersifat lebih efektif daya hambatnya dan tidak toksis terhadap jaringan manusia.
Industri pinisilin terus mengembangkannya dengan cara : meneliti strain baru dari alam, melakukan seleksi, meningkatkan sifat kultur melalui mutasi, optimalisasi media dan kondisi produksi.

Skema pengembangan strain sebagai berikut :
Isolasi dari melon
Isolat P. chrysogenum
Mutasi
Mutan
Produksi
Penisilin
Pengujian dengan Staphylococcus aureus ( 1 unit/ml )
Isolasi penisilin
Purifikasi
Kristalisasi
(1 unit = 0,5988 gr / sodium benzyl penisilin
Produksi Penisilin melalui dua cara
1. kultur tenggelam
2. kultur permukaan
Dalam produksi penisilin perlu Penicellium ditumbuhkan untuk membentuk spora, spora tersebut sebagai inokulum.
Faktor-faktor yang perlu diperhatikan selama fermentasi penisilin adalah :
1. Bahan dasar terdiri dari :
a. Sumber karbon (6 %), laktosa, pati jagung dan dextrin jagung.
b. Sumber nitrogen : sodium nitrat, ammonium sulfat, ammonium asetat, ammonium laktat, corn steep liquor.
c. Sumber mineral : magnesium sulfat (MgSO4 7H2O)
d. Prekursor : asam phenylacetat.
2. Kondisi fermentasi
Suhu 240 C, pH : 5-7,5, aerasi 400 cu/menit, antifolam tributyl citrat, 3 % octadecanol.
B. Biopestisida
Kebanyakan antibiotik dengan konsentrasi antara (55-200 ppm) berdaya insektisidal. Kemudian novobioci dan cycloheximide (actidione) mempunyai spektrum lebih luas terhadap insekta lain, tetapi apakah bersifat menghancurkan atau kontak saja. Di Jepang telah banyak dilakukan seleksi dan akhirnya menemukan metabolit sekunder baru mempunyai daya insektisida. Insektisida tersebut dihasilkan oleh Streptomyces
Insektisida yang dihasilkan mikrobia
Jenis mikrobia Produk Toksisitas terhadap
manusia
Streptomyces factum
Streptomyces mabaraence
Metarrhizium anisapliae
Aspergillus ochraccus
Aspergillus versicolor Pactomycin
Piericidins A dan B
Dextrixin A dan B
Aspachchracin
Versimide Tinggi
Tinggi
Tinggi
Rendah
-

Dari fungi tingkat tinggi di jepang digunakan untuk pengendalian lalat, yaitu asam tricolomat yang dihasilkan oleh Tricholoma muscarium dan asam ibotenat dari Amania muscaria
Bakteri yang berperanan sebagai pengendali hama adalah :
1. Bacillus thuringiensis : sporanya bersifat patogen terhadap larva Lipidoptera
2. Bacillus popilliae : sporanya bersifat patogen terhadap lebah (Popillia japanica).
Nematoda berperanan sebagai vektor serangga patogen, kadang digunakan untuk pengendalian hama , contohnya simbiose antara Achromobacter nematophilus dan Neoplectana carpocapsae
Pestisica dari fungi
Fungi menginfeksi integumen hospes. Spesien fungi yang paling baik yaitu Beauveria bassiana mematikan penyakit pada ulat sutera (Bombyx mori). Jamur Metarrhizium anisolphae.

Latihan soal Pokok Bahasan VIII
1. Jelaskan cara isolasi mikrobia penghasil antibiotik ?
2. Apakah perbedaan antara bakterisida dan bakteriosfatik ?
3. Jelaskan mengapa dalam produksi penisilin perlu ditambah ekstrak / rendaman
jagung ?
4. Apakah fungsi metabolit sekunder beri contoh 5 (lima) macam metabolit
sekunder ?
5. Apakah yang dimaksud dengan…
a. insektisida
b. metabolit sekunder
c. prekursor


Pokok Bahasan IX
BIOKONVERSI STEROID
Deskripsi singkat
Sterol dan steroid telah lama menjadi perhatian oleh ahli biokimia. Pada tahun 1920 ahli estrogenik dan androgenik untuk memenuhi kebutuhan steroid diperoleh dengan ekstraksi bahan alami misalnya korteks adrenal hewan. Senyawa steroid tersebut berupa cortico steroid.
Kemudian coktison berhasil disintesa secara kimiawi yang berguna untuk obat rematoid arthritis dan rematik akut. Selanjutnya pada tahun 1952 Rhizopus nigricans berperanan dalam mengubah progresteron menjadi …… - hidroksiproges rion yang bersifat baik dan diproduksi secara komersil.
Pada tahun 1970 reaksi 11 origenan oleh fungi 16x hidroksilasi oleh Streptomyces dehidrogenasi oleh Arthrobacter Samplex mycobacteria, nocardia dan kebanyakan fungi dilakukan di dalam industri.
Namun demikian banyak kendala yang timbul dalam produksi steroid melalui proses fermentasi, misalnya biaya operasional lebih mahal dibandingkan melalui reaksi kimiawi. Sehingga dalam prakteknya di pabrik, biotransformasi/biokonversi steroid digunakan untuk menggantikan sebagian reaksi secara kimiawi.
Struktur steroid kebanyakan mempunyai gugus methil pada atom karbon nomer 13 dan 10 (C-10 dan C-19). Steroid dapat dianalisa secara paper chromatography (PC) , khromatography lapis tipis (TLC) dan vapor-phase chromatography (VPC). Ekstraksi produk steroid menggunakan methylene chloride dan bermacam-macam solven non polar yaitu ethyl ecetat, amyl acetat, ethelene chlorida, chloroform hasil ekstraksi steroid lalu dianalisa menggunakan cara hromatography.
Penemuan penting dibidang mikrobiologi industri adalah mikrobia yang mampu melakukan aktivitas biokimia. Contoh spora Penicellium roqueforii mampu merubah asam kapilat (asam oktanoat ) menjadi 2 heptanone.
1. Definisi dan peranan steroid
Steroid adalah senyawa mempunyai kerangka perhydro 1,2-cyclo-pentano-phenanthene. Knight memperoleh 11-α-hydroxyl derivat progesteron menggunakan Aspergillus chraceus. :
Pembntukan 11-α-hydroxyl dari progesteron steroid yang dibentuk oleh mikrobia yaitu ergosterol, diosgenin pada tumbuhan, kholesterol terdapat pada hewan, kortisosteroid, hormon sex. Steroid penting sebagai agensia therapeutik, dihasilkan selama regulasi metabolisme
Steroid corteson berguna untuk penyakit rheumatoid arthritis dan rheumatic akut. Progestin dan estrogen untuk agensia mengurangi kesuburan (antifertility). Steroid juga berperanan sebagai agensia therapeutic bagi manusia dan hewan misalnya estrogen, progestin dan androgen
2. Struktur steroid
Kebanyakan steroid mempunyai gugus methyl pada rantai karbon nomer 13 dan 10 (C-18 dan C 19). Bentuk dasar steroid (trans, anti, trans, anti , trans) tergantung pada ikatan cincin karbon nomor 4 dari rantaian karbon dalam Chair Shape. Contoh bentuk dasar steroid adalah sebagai berikut Pada garis tebal yang di beri nomor 18 dan 19 dapatberikatan dengan gugus me-tyl 17 B konfigurasi
Adapun nama beberapa steroid baik nama perdagangan dan nama kimia dapat ditunjukkan dalam tabel dibawah ini
Nama perdagangan Nama kimia
- Androstenedione
- Testosterone
- Progesteron
- Predmisone A-1 E
- Predmisolone - Androst-yene-3,17 dione
- 17B-Hydroryandrost-4-en-3 ane
- Prcgn-4-enc-3,2 adio nc
- 17 X-21-dihydroxy-prequa-1,4-diene-3, 11,20 trione
- 11 B,

Ekstraksi steroid dari miselium jamur benang atau semua steroid menggunakan aseton. Sesudah steroid diekstraksi, akan mendapatkan hasil berwarna kecoklatan, lalu didecolorasi dengan karbon dan kristalisasi dari solven aseton – metanol atau methelene chloride. Banyak solven yang dapat digunakan untuk ekstraksi steroid yaitu ethyl asetat, amyl asetat, ethy-lene chlorida, chloroform.
3. Metoda analisis steroid
Steroid hasil fermentasi lebih cocok dianalisis secara khromatografi kertas (Paper chromatography), sedang THIN LAYAR chromatography) sering digunakan untuk penelitian, tetapi untuk kebanyakan penelitian yang spesifik analisis steroid memakai cara Vapor. Phase chromatography (VPC) karena sangat sensitiv untuk identifikasi steroid menggunakan resonansi nuclear magnetic, dan spektrofotometri masa.
Setelah steroid dianalisis secara khromatografi maka noda dideteksi menggunakan sinar ultraviolet dengan panjang gelombang 243 nm dan 268 nm
4.Tipe biokonversi steroid
Biokonversi steroid yang digunakan dalam industri ada dua macam :
a. hidroksilasi ada 4 macam :
11-α-hydroksilasi, 11-β-hydroksilasi, 16-α-hydroksilasi,21-hydroksilasi
b. Dehidrogenasi
11-α-hydroksilasi
11-α-hydroksi progesteron diperoleh dari progesteron yang dihasilkan oleh Aspergillus ochroceus, 11-α-hydroksi progesteron merupakan hasil antara pembuatan cortison.
11-β-hydroksilasi
Steroid hidrokartison (cortisol) langsung oleh Curvularia lunata atau ensim hewan mammalia
16-α-hydroksilasi
Hidroksilasi ini dilakukan oleh Streptomyces. Reaksi ini menjadi penting karena mampu membentuk 16 hidroksi 9α-fluoroprednison yang sangat cocok untuk obat anti inflammantory.
21-hydroksilasi
Reaksi ini sangat mudah terutama dilakukan oleh Aspergillus niger dan Opphiobolus herpotricus untuk transformasi progesteron menjadi deoxycortison
Dehidrogenasi
Arthrobacter simplex dapat melakukan sintesa prednisolon dari cortison.
5. Metoda Biokonversi steroid
Spora dari fungi atau aktinomesetes sangat esensial untuk biokonversi. Spora diproduksi pada permukaan media atau sekam yang direndam air.
Aktivitas air dan kelembaban relatif sangat menentukan sporulasi :
Pengaruh aktivitas air (aw) pada produksi spora fungi (produksi sebesar 1011 konidia/erlenmeyer
Ml air/ erlenmeyer Aspergillus ochroceus NRRL 405 A. niger

ATCC9142 Mucor gricocyanus ATCC1207 A Penicellium chrysogemus WIS 53-414
40
60
80
100
120
140
160 <1
3,2
3,8
3,0
+
-
- +
2,1
2,0
+
-
-
- -
-
-
-
6,3
4,5
- +
1,8
2,0
1,0
+
-
-

Media : 200 gr gandum, sterilisasi 1 jam suhu 1210 C, inkubasi 280 C selama 7 hari untuk A ochroceus, untuk fungi suhu inkubasi 250 C selama 14 hari. Kelembaban relatif 50 – 6 %.
Setelah memperoleh spora banyak lalu diunduh, atau disimpan dalam refrigerator pada suhu -200 C. Spora lalu digunakan dengan dimasukkan ke dalam larutan buffer phosphat, asetat atau sitrat. Kemudian sitrat ditambahkan, lalu dilarutkan kedalam 0,01 % Tween 80, pada akhirnya terjadi biokonversi. Biokonversi kadang-kadang terjadi bila tersedia gula dengan konsentrasi 0,2 – 0,4 % glukosa dengan spora A. ochraceus atau Mucor griseocyanus
Latihan soal Pokok Bahasan IX
1. Mengapa steroid penting sebagai agensia therapeutik?
2.Jelaskan biokonversi steroid melalui reaksi hidroksilasi ? Beri contoh
3.Jelaskan perbedaan antara biokonversi steroid melalui reaksi hidroksilasi
dan hidrogenasi
4.Sebutkan 3 macam steroid dan mikrobia penghasilnya
5. Apakah fungsi steroid bagi manusia
.
Pokok Bahasan X
PRODUKSI PROTEIN SEL TUNGGAL
Deskripsi singkat
Di negara yang sedang berkembang anak-anak kekurangan protein. Untuk mengatasi hal ini Protein advisary Group bersama-sama WHO (World Health Organization) perlu memenuhi kekurangan makanan pada umumnya, khususnya protein. Maka mikrobia digunakan untuk produksi makanan bagi manusia telah dilakukan seperti roti, keju, yogurt, kecap dan lain sebagainya
Sumberprotein yang berasal dari mikrobia uniseluler dan multiseluler telah diproduksi sejak perang dunia pertama. Kualitas suatu protein ditentukan oleh kandungan asam amino. Kandungan asam amino protein sel tunggal perlu diketahui mengingat sangat berhubungan dengan fungsi protein sel tunggal sebagai makanan tambahan dan sumber protein utama.
Nutrien Protein Sel Tunggal (PST) harus memenuhi kebutuhan gizi baik untuk manusia dan hewan. Kandungan asam nukleat Protein Sel Tunggal tidak boleh lebih dari 8,5% karena bila manusia kelebihan asam nukleat akan mengakibatkan timbulnya gangguan pencernaan, ginjal, gangguan kulit dengan terakumulasinya senyawa karsinogenik. Asam nukleat pada protein sel tunggal dapat diturunkan dengan cara diekstraksi menggunakan 10% sodium clorida, dengan pH 9,5 dan panas untuk menurunkan sampai konsentrasi 2 %. Kualitas protein dapat dibedakan berdasarkan uji layak yaitu PER (Protein Efficiency Ratio (PER) dan BV (Biological Value) serta protein digestivility)
Tujuan Instruksional khusus
Mahasiswa mampu menjelaskan tentang macam substrat, jenis mikrobia untuk PST, faktor-faktor yang mempengaruhi produksi PST, toksisistas, nilai nutrisi dan penurunan asam nukleat PST.
A. Mikrobia sebagai makanan
1. Pemanfaatan mikrobia untuk produksi makanan bagi manusia telah lama dilakukan. Contoh : Roti, keju, yogurt, kecap, minuman beralkohol.
2. Mikrobia lebih menguntungkan bila dikembangkan sebagai sumber protein atau sebagai protein sel tunggal karena :
a. Kecepatan pertumbuhan lebih cepat dibandingkan hewan dan tumbuhan
b. Pemeliharaannya tidak tergantung musim, lahan, pengairan dan sebagainya.
Kelemahan protein sel tunggal adalah kandungan asam nukleat tinggi, padahal manusia bila mengkonsumsi protein sel tunggal berlebihan, maka asam nukleat akan terakumulasi sehingga menimbulkan gangguan pencernaan, ginjal, kulit.

B. Substrat dan mikrobia untuk PST
Substrat untuk produksi PST dapat menggunakan limbah industri, limbah pertanian baik bentuk padat dan cair. Limbah cair meliputi melase, cairan whey susu, sulfite liquor. Limbah pertanian berbentuk padat misalnya limbah pabrik tahu, limbah pertanian yang mengandung selubiosa, gula.
CO2 dapat digunakan sebagai sumber karbon bagi algae dan hidrogen bakteri. Bakteri dan fungi tertentu (Graphium, Trichoderma) dapat menggunakan methan dan methanol. Pati dari hasil sisa pembuatan kertas dapat ditumbuhi Endomycopsis fibuliger dan Candida utilis dapat menghasilkan amilase.
Hdrokarbon digunakan sebagai substrat produksi PST oleh kebanyakan khamir dan fungi (Tabel)
Genera khamir yang mampu menggunakan hidrokarbon alifatik untuk pertumbuhan
n-alkana (parafin) 1-alkena (olefin)
Candida, Mycotorula, Torulopsis,
Cryptococcus, Pichia, Trichosporon,
Endomycopsis, Rhodotorula,
Saccharomyces, Hasenula Candida, Debaryomyces,
Hasenula, Rhodotorula
Genera fungi felamentos yang mampu menggunakan hidrokarbon alifatik untuk pertumbuhan
n-alkana (parafin) 1-alkena (olefin)
Abisida
Acremonium
Aspergillus
Botrytis
Cephalosporium
Chaetomium
Chloridium
Cladosporium
Colletotricum
Cunninghamella
Dematium
Epicoccum
Fusarium Gliocladum
Graphium
Hellicostylum
Helminthosporium
Monilia
Mucor
Oidiodendron
Paecilomyces
Penicellium
Rhizopus
Scolecobasium
Spicaria
Syncephalastrum
Trichoderma Aspergillus
Cephalosporium
Cunninghamella
Fusarium
Helminthosporium
Spicaria
C. Kondisi Kultur
Garam ammonium atau nitrat biasanya digunakan untuk mempelajari kebutuhan sumber nitrogen oleh mikrobia. Kemudian pH medium untuk pertumbuhan khamir perlu diatur asam (4,5-5,5), untuk bakteri membutuhkan pH netral (6,0-9,5), sedang untuk bakteri hijau biru, Spirulina maxima memerlukan pH basa (9-11).
Temperatur optimum untuk pertumbuhan mikrobia bervariasi, ada yang tumbuh baik pada suhu antara 28- 400 C.
Produksi khamir pada media minyak gas dipreparasi dalam kondisi tidak steril, demikian juga algae yang ditumbuhkan di dalam danau terbuka, selalu terjadi kontaminasi bakteri dan protozoa.
Apabila produksi protein sel tunggal menggunakan substrat hidrokarbon akan timbul banyak masalah karena kemungkinan bersifat karsinogenik. Problemnya antara lain solubilitas hidrokarbon rendah.
Sollubilitas n alkana dalam air pada temperatur 250C.
Alkana Konsentrai larutan tidak jenuh (molar)
Heksana
Oktana
Dekana
Dodekana
Tetradekana 1,1 x 10-4
5,8 x 10-6
3,3 x 10-7
1,7 x 10 x –8
9,8 x 10-10

Faktor yang perlu diperhatikan didalam penggunaan fermentor yaitu :
a. Media c. Perumbuhan sel
b. Kelarutan hidrokarbon d. Gas untuk aerasi

Apabila hidrokarbon tidak mengandung o2 padahal sangat diperlukan untuk aerasi yaitu untuk bakteri sebesar 25 % sedang khamir 30 %. Penggunaan O2 untuk fermentasi hidrokarbon sebesar 2,5 – 3,5 % kali, tetapi bila hidrokarbon dalam bentuk metan sampai 4 – 5 kali, bila dibandingkan dengan substrat glukosa. Evolusi panas biasanya diperlukan lebih banyak (Tabel)
Pengaruh substrat dan produk sel terhadap kebutuhan oksigen dan pembebasan panas

Mikrobia
Substrat Poduk
Sel
(gr/l) Kebutuhan oksigen
Gr/100 gr sel Pembebasan panas
Kcal/100 gr sel Kj/100 gr sel
Khamir
Khamir
Bakteri KH
n-alkana
n-alkana 0,5
1,0
1,0 67
197
172 30
799
780 1591
3345
3266

Susunan kimia sel yang dipanen dipengaruhi oleh sifat medium dan kondisi kultur lainnya, misalnya perbandingan protein dan lemak dipengaruhi oleh perbandingan antar karbon dan nitrogen (C : N) dalam suatu medium. Apabila kandungan nitrogen mendium rendah maka pertumbuhan tebatas, tetapi lemak terakumulasi di dalam sel. Sebagai contoh kandungan lemak pada media yang mengandung nitrogen terbatas Rhodoturula mempunyai 60 % lemak, Mocordia 70 %, Chlorella 80 %.
D. Nilai nutrisi protein sel tungal.
Komposisi mikrobia yang berguna sebagai sumber makanan terdiri dari 10 – 15 % purin atau base pirimidin (Tabel)
Komposisi sel mikrobia (%) berat kering
Fungsi filamentous Algae Khamir Bakteri
Nitrogen
Lemak
Abu
Asam nukleat 5 – 8
2 – 8
9 – 14
- 7,5 – 10
7,0 – 20
8,0 – 10
3,0 – 8 7,5 – 8,5
2,0 – 6,0
5,0 – 9,5
6,0 – 12 11,5 – 2,5
1,5 – 3
3,0 – 7
8,0 – 16

Kandungan asam amino mikrobia sebesar 70 – 80 % dari seluruh N sel mikrobia. Mikrobia dapat bersintesa asam amino essensial yang sangat berguna untuk pertumbuhan dan sumber nutrisi bagi manusia.
Asam amino essensial dari bermacam-macam mikroorganisme bila dibandingkan dengan gandum dan albumen telur dapat diamati pada tabel di bawah ini .
Kandungan asam amino essensial dari jagung, albumin telur dan makanan dari mikrobia (gr/16 gr N)
Asam amino
Jagung Albumin telur Makanan dari mikrobia
1 2 3 4 5 6
Lisin
Threonin
Sitein
Methionin
Tryptophan
Isoleucine 2,8
2,9
2,5
1,5
1,1
3,3 6,5
5,1
2,4
3,2
1,6
6,7 4,6
4,6
0,4
1,4
1,4
6,0 7,7
4,8
-1,7
1,0
1,6 7,8
5,4
0,9
1,6
1,3
5,3 5,3
4,5
0,3
1,8
-3,9 8,6
4,5
-2,7
1,1
4,6 3,9
-
-1,0
1,25
3,2

Keterangan :
1. Spirulina maximum 5. Alcaligenes europhus
2. Saccharomyces cereviceae 6. Penicellium notatum
3. Candida lipolytica
4. Pseudomonas methanol

Kandungan vitamin yang berasal dari mikrobia (mg/100 berat kering)
Vitamin Morchella hortensis Candida utilis S.cerevisiae Methylomonas methanica
Thiamin
Riboflavin
Niacin
Piridoksin
As.Pantotenat 1
Kholin
As. Folat
Inositol
Biotin
Vitamin B12
As. P amino
Benzoat 0,54
1,31
12,40
2,62
2,60
4,61
1,09
1,78
0,015
0
- 0,53
4,50
41,73
3,34
3,72
-
2,15
-
0,23
0
1,7 5,0 – 36
3,6 – 4,2
32,0 – 100
2,5 – 100
10,0
-
1,5 – 8
-
0,5 – 1,8
0
0,9 – 10 1,81
4,82
15,90
14,30
2,42
968,00
-
-
-
0,96
-

Konsumsi asam nukleat sebesar 2 gram/hari merupakan batas aman, mengingat bagi orang yang diberi asam nukleat dengan dosin aman setelah dilakukan uji klinis dan dibandingkan dengan penderita kencing batu, kandungan asam urat lebih besar dari pasien.
Hubungan konsumsi asam nukleat dengan asam urat dalam serum dan air kencing As. Nukleat Serum (mg/100 ml) Kandungan asam urat air kencing (mg/hari)
0
2
4
8
0
2,9
5,8
8,7 4,9
6,0
7,7
9,4
4,5
7,9
8,8
9,4 375
667
933
1.393
510
1.190
1.850
1.871

Catatan: Kandungan normal asam urat dalam serum darah: 2-6 mg/100 ml
air kencing : 300-700 /mgr hari
Kebanyakan hewan mempunyai ensim urikase yang mampu memecah asam urat menjadi alantoin yang mempunyai kelarutan lebih besar, sehingga mudah diekskresikan bersama urine. Hewan penghasil ensim urikase selain anjing, burung dan mammalia yang tidak termasuk primata. Tetapi babi tidak mampu mengakomodasi basa purin yaitu guanin sehingga babi mudah terkena penyakit ginjal.
Pemecahan purin menjadi urea dan produk akhir sebagai ammonia. Pemecahan basa purin :+ H2O
1. Adenin hypoxanthin + NH3adenase + H2O
2. Guanin xanthin + NH3guanase + ½ O2+ H2O
3. Allantoin asam uraturikase + ½ O2

Penurunan kadar asam nukleat dalam protein sel tunggal Kandungan asam nukleat dalam protein sel tunggal yang terlalu tinggi akan menimbulkan hambatan nutrisi secara langsung pada, manusia usaha untuk mengurangi kadar asam nukleat menggunakan beberapa cara antara lain : heat shock incubation lalu berkembang menjadi heat shock Bovin Pancreatic ribonuclease, pengendapan menggunakan asam, dan hidrolisa pakai asam dan basa.
Cara penurunan kandungan asam nukleat
Asam nukleat sangat mudah larut dalam larutan basa encer lebih mudah larut dalam air panas tapi sukar larut dalam air dingin, dan tidak larut dalam alkohol.
Pemecahan asam nukleat dilakukan dengan secara kimiawi maupun secara ensimatis, cara pengendapan menggunakan zat kimia atau dengan sentrifugasi.

Latihan soal pokok bahasan X
1. Sebutkan tiga macam spesies mikrobia yang dapat dipakai sebagai sumber
protein sel tunggal (PST)?
2. Mengapa protein sel tunggal tidak boleh mengandung asam nukleat lebih dari
standard?
3. Jelaskan salah satu cara penurunan asam nukleat PST?
4. Apakah perbedaan antara Protein efficiency Ratio (PER) dan Protein
Digestibility (PD)
5. Apakah yang dimaksud dengan :
a. Biological value
b. Microbial food
c. Heat Shocking incubation


Pokok Bahasan XI
PENANGANAN LIMBAH INDUSTRI
Deskripsi singkat
Setiap proses industri yang menghasilkan produk dan limbah baik dalam bentuk padat dan cair. Limbah pabrik dapat berupa senyawa organik dan anor- ganik. Limbah ini bila tanpa diolah terlebih dulu, lalu begitu saja dibuang ke lingkungan akan mengakibatkan terjadi pencemaran. Biasanya industri fermen- tasi tidak mengandung material toksik, tetapi limbah tersebut banyak mengan- dung senyawa organik yang mudah didegradasi oleh mikrobia. Sehingga kan-
dungan oksigen terlarut dalam limbah akan menghambat pertumbuhan organis- me didalam lingkungan . Maka limbah industri sebelum dibuang ke lingkungan perlu diolah terlebih dahulu baik secara fisik, kimia dan secara hayati mengguna kan mikrobia.
Penangan limbah secara fisik yaitu dengan menyisihkan limbah padat secara fisik dari bagian cairan. Kalau secara kimiawi partikel diendapkan atau dikonjugasi /flokulasi menggunakan ferrous atau ferisulfat, almunium sulfat atau calcium hidroksida sebagai koagulan. Penanganan limbah secara hayati, dapat menggunakan cara aerob dan anaerob oleh kumpulan mikrobia yang disebut lumpur aktif atau activity sludge. Parameter kimiawi fisik yang digunakan sebagai indikator & kualitas air meliputi : kekeruhan, bahan padat terlarut, BOD, COD, suhu, pH, warna aroma, detergen senyawa radioaktif dan lain sebagainya. Parameter mikrobiologis meliputi kandungan E coli, streptocou-cus dari mikrobia pathogen

Tujuan instruksional khusus
Mahasiswa mampu menjelaskan sifat fisik dan kimia limbah, cara penanganan limbah secara aerob dan anaerob oleh lumpur aktif
1. Pendahuluan
Di dalam industri fermentasi, melalui suatu proses bahan mentah dikonversikan menjadi berbagai macam produk dan sejumlah limbah yang bermacam-macam tergantung proses yang digunakan.
2. Faktor-faktor yang perlu diamati selama survey buangan pabrik
a. Kecepatan alir limbah setiap hari
b. Kekeruhan, warna
c. Padatan tersuspensi
d. Oksigen terlarut, BOD dan COD
e. pH dan suhu
f. Kandungan toksik logam, CL-, sulfida, sianida, fenol dan deterjen
g. Bau dan rasa
h. Radioaktivitas

Kadar oksigen terlarut
• Esensial untuk pertumbuhan beberapa jasad renik
• Konsentrasi oksigen terlarut: 4 mg/dm-3 atau 90 % konsentrasi jenuh pada suhu dan salinitasn ambien.
• Dipengaruhi oleh partikel-partikel bahan organik terlarut
• Metoda pengukuran yang sering digunakan untuk oksigen terlarut :
Keperluan oksigen biokimia (BOD): ukuran kuantitas oksigen yang
diperlukan untuk oksidasi bahan organik di dalam air, oleh mikrobia . .yang terkandung di dalamnya pada inteval waktu dan suhu tertentu.
־ Kadar oksigen effluen ditentukan dengan memasukkan limbah atau larutan limbah ke dalam botol berwarna gelap, sebelum dan setelah diinkubasi pada suhu 200 C selama 5 hari.
־ Penurunan oksigen dapat dihitung dengan satuan O2 yang dikonsumsi per dm3 sampel.
־ Pengukuran ini digunakan hanya untuk menentukan bahan yang dapat didegradasi.
־ Pada umumnya BOD diukur setelah 5 hari inkubasi.
b. Keperluan oksigen kimia (COD)
־ Uji dilakukan dengan memperlakukan sampel dengan sejumlah larutan Potasium dikromat asam yang mendidih selama 2,5 sampai 4 jam, kemudian sisa dikromat dititrasi dengan ferro sulfat atau fero-ammonium sulfat.
־ Bahan organik teroksidasi sebanding dengan potasium dikromat yang digunakan.
־ Metode ini digunakan untuk mengukur semua kandungan bahan organik yang mudah dan sukar terdegradasi, baik yang rekalsiran maupun yang bersifat toksik.
־ Perbandingan BOD : COD yang ideal untuk buangan antara 0,2-0,5 : 1
־ Beberapa buangan industri yang komposisinya bervariasi mempunyai rasio BOD : COD bervariasi pula,
• Strategi untuk pengolahan limbah industri
־ Perlu survey ke pabrik-pabrik khususnya untuk pelaksanaan program penanganan limbah yang ekonomis.
־ Mengindentifikasi sumber-sumber air yang tak terkontaminasi dan yang terkontaminasi yang kemungkinan digunakan kembali.
־ Limbah yang pekat agar disendirikan untuk diolah untuk menghasilkan bahan yang lebih berguna. Penanganan limbah pekat lebih ekonomis bila dibandingkan dengan effluent yang lebih encer.
־ Effluent yang lebih encer memerlukan pompa dan penampung untuk mengendapkan bahan yang terkandung di dalamnya.
• Uji laboratoris untuk menentukan sistem yang akan digunakan
־ Beberpa persyaratan: parameter-parameter yang telah disebut
־ Mencari teknik untuk :
 Menurunkan kadar garam
 Mengkoagulasi partikel tesuspensi dan koloid dan memecah emulsi
• Beberpa strategi untuk menanggulangi limbah atau menangani limbah adalah : (3R) Reduced, Re-used dan Re-cycled.
־ Reduced : mengurangi seminim mungkin tebentuknya limbah dengan memperbaiki proses pengolahan.
־ Re-used : memanfaatkan limbah untuk bahan bakar selama prosesing. Pada umumnya dikaitkan dengan sumber air untuk pemanfaatannya.
־ Re-cycling : mengolah kembali sebagai bahan dasar prosessing. Khususnya untuk limbah-limbah industri yang masih mengandung sejumlah bahan yang dapat dimanfaatkan sebagai makanan, pakan ternak, pembenah tanah dan bahan bakar.
• Daya buangan industri
- BOD : 40.000 – 70.000 mg/l-1 untuk limbah yang mengandung miselium jamur
- BOD buangan industri alkohol : 10.000 – 25.000 mg/l-1
• Penanganan dan pembuangan limbah
1. Effluen dibuang ke sungai atau laut tanpa perlakuan terlebih dahulu
2. Effluen dibuang ke tanah, lagoon, dimasukkan ke sumur.
3. Sebagian effluen dibuang langsung tanpa perlakuan dan sebagian diperlakukan terlebih dahulu sebelum dibuang
4. Semua effluen dikirim ke penampungan limbah untuk diperlakukan
5. Semua effluen ditangani terlebih dahulu di industri itu sendiri.
• Proses penanganan limbah. Fermentasi limbah meliputi 3 proses
- Perlakuan secara fisik
- Perlakuan secara kimia
- Perlakuan secara biologi


Latihan soal pokok bahasan XI
1. Mengapa Escherichia asli digunakan sebagai indikator pencemaran ?
2. Jelaskan salah satu cara penanganan limbah secara anaerob?
3. Beri contoh penanganan limbah pada menggunakan mikrobia?
4. Jelaskan salah satu penanganan limbah menggunakan koagulan
5. Apakah yang dimaksud dengan
a. Lumpur aktif
b. Metanogenik
c. Biological oxigen Demand
d. Aklimasi