teknologi fermentasi dan peningkatan kualitas...
TRANSCRIPT
TeknologiTeknologi FermentasiFermentasidandan
PeningkatanPeningkatan KualitasKualitasPakanPakan
RetnoRetno I I PujaningsihPujaningsihLaboratorium Teknologi Makanan Ternak
Fakultas Peternakan UNDIP2005
BIOTEKNOLOGIBIOTEKNOLOGI
Penggunaan mahluk hidupatau bagian-bagiannya untuk
menghasilkan barang ataujasa secara industri
rip-biotek-fermentasi 3
MikrobiologiBiokimiaBiologi Molekular
Biologi SelGenetika Molekular Rekayasa Proses
Bioteknologi
Diagnosa Kesehatan
Industri Farmasi
Industri Fermentasi
Industri Pangan dan Pakan
Industri Kimia
Lingkungan dan Energi
rip-biotek-fermentasi 4
• FERMENTASI mrpk bentuk TERTUA dari BIOTEKNOLOGI• Minuman beralkohol (bir, anggur, tuak)• Makanan terfermentasi (keju, yoghurt, tape, tempe, petis,
terasi)• Orang Somaria dan Babilon kuno sdh minum bir sejak
6000 th sebelum masehi• Orang Mesir sdh membuat adonan Kue Asam sejak th
4000 sebelum masehi • Sedangkan di Eropa, minuman anggur sudah dikenal
jauh dimasa lalu dg proses fermentasi
Perkembangan BioteknologiJaman sebelum Louis Pasteur
rip-biotek-fermentasi 5
• Kesadaran bhw terjadinya berbagai proses tsb diakibatkan oleh adanya mikroorganisme hidup (ragi/khamir) belum dijabarkan hingga abad 17 oleh Antony van Leeuwenhoek
• Bukti pasti bhw mikroorganisme mampu melakukan fernmentasi timbul dari studi Louis Pasteur tahun 1857 dan 1876, dsb Bapak Bioteknologi
Perkembangan BioteknologiJaman sebelum Louis Pasteur
rip-biotek-fermentasi 6
PerkembanganBioteknologiJaman Louis
Pasteur• Alkohol (Etanol, Butanol, aseton, gliserol)
• Asam organik (Asam sitrat, asam asetat)
• Pengolahan limbah secara aerob
rip-biotek-fermentasi 7
Perkembangan BioteknologiJaman antibiotika
• Antibiotika (Penisilin, tetrasiklin, streptomisin)• Vaksin (Vaksin anti NCD, vaksin anti polio)• Transformasi steroid (DOPA)• Teknologi fermentasi media cair• Teknologi biakan jaringan hewan
rip-biotek-fermentasi 8
Perkembangan BioteknologiJaman pasca antibiotika
• Asam amino (Asam glutamat, lisin, aspartame)• Protein sel tunggal• Enzim (amilase, glukosa isomerase, glukosa
dehidrogenase) • Teknologi imobilisasi sel dan enzim• Teknologi pengolahan limbah cair anaerob
(Biogas)• Polisakarida bakteri (Xanthan, Trehalosa)
rip-biotek-fermentasi 9
ARAS PENERAPAN BIOTEKNOLOGI
ARAS MASUKAN KELUARAN
TINGGIModal besar, alat
dan prosescanggih, operator
terdidik
Produk bernilaitinggi untuk
kesehatan danpangan
MENENGAHModal menengah,
alat dan prosestidak terlalu rumit
Pangan, pakan, pupuk dan
pestisida hayati
RENDAHModal kecil, alat
dan prosessederhana,
operator tak terdidik
Produk bernilairendah, sanitasi,
pemanfaatanlimbah
rip-biotek-fermentasi 10
Contoh produk pakan hasilfermentasi
• Fermentasi jerami• Fermentasi dedak• Fermentasi pucuk tebu• Fermentasi ikan rucah, bekicot
rip-biotek-fermentasi 11
Definisi Fermentasi
Fermentasimerupakan prosespemecahansenyawa organikmenjadi senyawasederhana yang melibatkanmikroorganisme. CnH2n+1OH.
Rumus kimia umum alkohol
Glukosa
rip-biotek-fermentasi 12
Definisi FermentasiMikroorganisma
Klasik : Urai seny.2 org.komplek seny. sederhanaAnaerob
MikroorganismaModern : Pengubahan suatu Substrat Bhn lbh berguna
Terkontrol
Fermentasi : Segala macam proses metabolisme yg (enzim, jasad renik scr oksidasi, reduksi, hidrolisa atau reaksi kimia lainnya)melakukan perub. kimia pd suatu substrat organik dg menghasilkan Produk Akhir.
Fermentasi: Aplikasi metabolisme mikrobia utk mengubah bahan (Industri) baku produk yg bernilai lebih tinggi
Misalnya: - Etanol, Asetat - Antibiotik, Enzim, Vitamin, Protein sel tunggal dsb.
rip-biotek-fermentasi 13
Tujuan Fermentasi
Menghasilkan suatu produk (bahan pakan) yang
mempunyai kandungan nutrisi, tekstur, biological availability
yang lebih baikDisamping itu juga menurunkan
zat anti nutrisinya
rip-biotek-fermentasi 14
Komponen Fermentasi(medium, nutrien, fermentor)
Jenis medium fermentasi dibagi 3 :• F. Medium Padat : Medium tdk larut, tapi
cukup lembab utk keperluan mikrobia (KA 12 – 60 %)
• F. Medium Semi Padat: Medium tdk larut, kelembaban cukup (KA = 65 – 80 %)
• F. Medium Cair: Medium cair substrat larut dan atau tak larut (KA > 80 %)
rip-biotek-fermentasi 15
Nutrien/substrat: senyawa yg tdp di lingkungan pertumbuhan yg digunakan utk
proses katabolisme & anabolisme.
Nutrien dibedakan :• makronutrien : senyawa yang dibutuhkan dalam
jumlah banyak• mikronutrien : senyawa yang dibutuhkan dalam
jumlah kecil (trace element)Nutrien utama yang digunakan untuk pertumbuhan
mikrobia adalah karbon, nitrogen, hidrogen, oksigen, sulfur dan fosfor.
rip-biotek-fermentasi 16
Fermentor• Fermentor : tangki atau wadah
dimana di dalamnya seluruh sel(mikrobia) mengubah bahan dasar menjadi produk biokimia dengan atau tanpa produk sampingan
• Sering disebut dengan bioreaktor
• Fungsi dasar : menyediakan kondisi lingkungan yang cocok bagi mikrobia didalamnya untuk:
–– Menghasilkan biomassa–– Menghasilkan enzim–– Menghasilkan metabolit dsb
rip-biotek-fermentasi 17
Syarat fermentor• Tangki dapat dioperasikan secara aseptik,
agitasi dan aerasi• Energi pengoperasian serendah mungkin• Temperatur harus terkontrol• Kontrol pH• Tempat pengambilan sampel• Penguapan berlebihan dihindari• Tangki didesain untuk meminimalkan tenaga
kerja pemanenan, pembersihan dan perawatan
• Peralatan general: permukaan bagian dalam halus, dihindari banyak sambungan, murah.
rip-biotek-fermentasi 18
Konstruksi Fermentor• Bahan fermentor dibuat tahan karat utk mencegah
kontaminasi logam/ion selama proses• Bahan fermentor hrs tidak beracun & tidak mudah
terlarut, shg tdk menghambat pertumb.mikrobia• Bahan fermentor hrs kuat utk sterilisasi berulang
kali pd tekanan uap tinggi• Sistem stirer dari fermenter & lubang
pemasukannya cukup, shg tdk mengalami stress mekanik akibat terlampau rapat
• Pemeriksaan secara visual dari medium & kultur hrs tersedia, dibuat dari bahan transparan
rip-biotek-fermentasi 19
Jenis-jenis Fermentasi• Berdasarkan produk yang dihasilkan
– Alcoholic fermentation– Lactic acid fermentation
• Berdasarkan proses kerja– Batch culture fermentation– Fed culture fermentation– Semi batch culture fermentation– Continuous culture fermentation– Recycling continuous culture fermentation
• Berdasarkan kondisi– Aseptis/ steril pembuatan alcohol dan asam sitrat– Semi aseptis / tdk kurang steril pembuatan tempe, kecap,
silase
rip-biotek-fermentasi 20
• Alcoholic Fermentation
• Lactic acid Fermentation
rip-biotek-fermentasi 21
• Batch culture : tanpa penambahan substrat selamafermentasi berlangsung
• Fed batch culture: bbrp nutrisi/media ditambahkan slmfermentasi dlm interval tertentu, tdk ada medium pertumbuhan yg dipindahkan
• Semi batch culture: sebag dari cairan fermentasidipindahkan stlh proses berlangsung (70-80 %) & selyg tertinggal dlm tangki diendapkan/disentrifugasidigunakan lagi utk batch berikutnya
• Kultur kontinyu: nutrien/media ditambahkan terus menerus ke dalam fermenter dan produk dipindahkan dari tangki fermenter scr terus menerus
• Kultur kontinyu dg recycle: biomassa sel dipisahkan dan dikembalikan ke fermentor
rip-biotek-fermentasi 22
Fase Fermentasi
rip-biotek-fermentasi 23
Phase: Lag
• Pd fase ini tk pertumbuhan nol, krn pd saat sel dipindah ke medium yg baru tjd penyesuaian dg lingk baru shg tdk sgr tjd pertumbuhan sel
• Ciri-ciri fase lag :Tidak ada peningkatan jumlah selSel membesar ukurannyaSecara fisiologis sel aktif & mensintesa enzimbaru utk beradaptasi dg lingkungan baru
rip-biotek-fermentasi 24
Phase: Logarithmic or Exponential
• Tingkat pertumbuhan maksimal dan naik secara konstan
• Tingkat pertumbuhan eksponensial dipengaruhi oleh
Kondisi lingkungan (suhu, komposisi medium)Sifat genetik dari mikrobia
rip-biotek-fermentasi 25
Phase: Stationary• Tingkat pertumbuhan nol, ciri:
– Tjd akumulasi produk beracun– Nutrien dlm medium tlh habis– Bbrp sel mati, tapi yg lain tumbuh dan membelah, jd
jumlah sel yg mati = yg membelah, shg jumlah sel seimbang (cryptic growth)
– Jumlah sel yg hidup tetap• Walau tdk ada pertumbuhan, fungsi sel tetap
berjalan spt metabolisme maupun biosintesa.• Produksi bbrp metabolit sekunder adalah utama
terutama pd perpindahan dari fase logaritmik kefase stasioner
rip-biotek-fermentasi 26
Phase: Decline or Death
• Tingkat pertumbuhan negatif, artinya jumlah selyg hidup menurun
• Pd bbrp keadaan dpt diikuti dg tjdnya lisis dari sel shg turbiditas dan jumlah sel yg dihitung scr langsung akan berkurang sejalan dg pengurangan sel hidup
• Ciri-ciri :– Terjadi akumulasi lanjut produk metabolit yg
menghambat nutrien penting dlm medium habis– Jumlah sel yg hidup turun scr logaritmik– Umumnya sel akan mati dalam bbrp hari atau bulan
rip-biotek-fermentasi 27
ProsesProses FermentasiFermentasi• Glikolisis
2 pyruvic acid molecules
glucose
rip-biotek-fermentasi 28
Proses Fermentasi
Lactic acid
Pyruvic acid + 2H+
Ethanol and CO2
rip-biotek-fermentasi 29
Tahapan Proses Fermentasi• Formulasi medium yg akan digunakan utk
menumbuhkan mikroorganisme baik pd Enrichment (pengkayaan) maupun pd Proses Produksi
• Sterilisasi Medium, Fermentor dan Perlengkapannya• Produksi kultur murni/campuran yg cukup utk
menginokulasi pd tahap produksi• Optimasi produksi pd tahap Fermentasi produk dg
kondisi Optimum• Ekstraksi (Pemanenan hasil) dan Purifikasi/pemurnian
produk• Pembuangan effluen (limbah medium) yg dihasilkan
selama produksi
rip-biotek-fermentasi 30
Kultur Sediaan
Labu Kocok
FermentorPengembangan
Inokulum
Sterilisasi
Formulasi Medium
Bahan Medium
FermentorPRODUKSI
CairanKultur
PemisahanSel
Biomasa(Sel)
SupernatanBebas sel
PerlakuanEfluen
Pemurnian Produk(bila berasosiasi dg Supernatan)
PerlakuanEfluen
Pemurnian Produk(bila berasosiasi
dg Biomasa)
Pengembangan Inokulum
rip-biotek-fermentasi 31
Faktor2 yang Faktor2 yang mempengaruhimempengaruhi fermentasifermentasi
SuhuOksigen (kondisi aerob/ anaerob)Kandungan air medium/ substrat
Jml dan macam Inokulum (starter m.o)PH medium (awal fermentasi)
Kandungan nutrisi mediumJenis substrat
rip-biotek-fermentasi 32
PemilihanPemilihan SubstratSubstrat FermentasiFermentasi
• Perlu substrat murah, mudah tersedia & efisien penggunaannya• Peluang penelitian menemukan substrat baru yg lebih efisien• Apakah substrat baru lebih baik Hrs terjawab :
– Apakah ada/ tdk ada residu yg menimbulkan limbah– Apakah substrat baru tsb diterima konsumen – Apakah harga lebih murah/ lebih efisien– Substrat yg murah tidak selamanya baik
• Bila produk fermentasi bisa dihasilkan dg cara sintesis/ cara lain maka pemilihan substrat mrpk hal utama (bersaing)
Con.: produk as. amino glutamat, lisin, metionin dsb.) • Produk yg hanya dihasilkan scr fermentasi as. sitrat &
antibiotik
rip-biotek-fermentasi 33
Beberapa faktor yg mempengaruhi pemilihan substrat :
1. Kontinyuitas ketersediaanTersedia sepanjang tahun; jangan dr bhn yg musiman/ ketersediaannya terbatasDpt disimpan dalam beberapa bulan, mutu dan komposisinya relatiftetap
2. Sifat fermentasiSubstrat hrs dpt difermentasiMis: Produksi PST Trichoderma viridae dpt tumbuh baik pd substrat selulosa (jerami padi); tetapi tdk dpt tumbuh baik pd bungkilkelapa
3. Harga substratMurah dan dpt digunakan sesuai kebutuhan
rip-biotek-fermentasi 34
Sterilisasi(proses bebas kuman, virus,
spora, jamur)
• Cara alami: pemanasan dalam air mendidih
• Cara kimiawi: antiseptik & desinfektan
PasteurisasiPasteurisasi
rip-biotek-fermentasi 35
Teknik Pemanenan Produk FermentasiDimensi baru tek fermentasi dpt memanfaatkan M.O. utk
menghasilkan :
Metabolit primer– Metabolit yg dihasilkan selama fase pertumbuhan utama– Metabolit yg penting utk pertumbuhan mikrobia
glukosa, fruktosa, etanol, alcohol, kalsium sitrat (dr ampas tahu, ampas tapioca, bekatul)
Metabolit sekunder– Metabolit yg dihasilkan saat mendekati akhir fase
pertumbuhan, seringkali, saat terjadinya fase stasionerMetabolit Sekunder ( tdk punya peranan langsung utk
kehidupan M.O.) Mis : Antibiotik (penisilin, oksitetrasiklin, streptomisin, aktinomisin) dan Alkaloid
rip-biotek-fermentasi 36
Proses Produksi
Pemanfaatan langsung :Silase, Yoghurt, SCP/ PST
Sentrifuse
Sel / PST
Pemecahan sel dg pembekuan/ sonicator
Sentrifuse
Sel/PST
N butanol
Cairan
Cairan
Ekstraksi(Pelarut organik)
Senyawa polarDan Medium
Senyawa Non polar
Cairan mengendap,Senyawa polar
Ekstraksi pelarutorganik N butanol
Pemisahan lanjut sesuai kebutuhan
Produk Metabolit
rip-biotek-fermentasi 37
Ada yang inginditanyakan ?
rip-biotek-fermentasi 38