Bioteknologi dan produksi Protein Sel Tunggal

BIOINDUSTRI
AGUS SUYANTO
Aplikasi Bioteknologi dalam bidang industri
Bioteknologi adalah prinsip-prinsip ilmu pengetahuan
dan kerekayasaan untuk penanganan dan pengolahan
bahan dengan bantuan agen biologis yang
menghasilkan barang dan jasa.
Bioindustri adalah salah satu bagian dari bioteknologi,
yakni penerapan mikroorganisme dan enzim dalam
skala besar (industri) yang memperhitungkan kajian
ekonomis dan untung rugi suatu proses produksi
www.thmemgallery.com
Company Logo
Definisi Bioindustri
• Bioindustri secara umum adalah:
• Aplikasi bioteknologi dalam bidang industri
• Keywords: bioteknologi & industri
• Bioteknologi:
• Prinsip-prinsip ilmu pengetahuan dan kerekayasaan untuk
penanganan dan pengolahan bahan dengan bantuan agen biologis
untuk menghasilkan barang dan jasa.
Company Logo
Definisi Bioindustri
• Jadi BIOINDUSTRI adalah salah satu bagian dari
bioteknologi , yakni penerapan mikroorganisme dan enzim
dalam skala besar (skala industri) serta memperhitungkan
kajian ekonomi dan untung rugi suatu proses produksi
• Point Penting:
1.
Penerapan agen biologis (mikroorganisme)
2.
Skala Produksi Besar (Skala Industri)
3.
Adanya Kajian Ekonomi
Company Logo
Ruang Lingkup Bioindustri
• Skala Aplikasi Bioteknologi
1.
Laboratorium

2.
Skala Pilot

3.
Tahap seleksi mikroorganisme (baik tanaman maupun
hewan)
Penerapan kondisi operasi optimum
Skala Industri

Proses produksi dengan pertimbangan ekonomi
industri
Company Logo
Ruang Lingkup Bioindustri
• Bioteknologi modern untuk penelitian dan pengembangan
produk fermentasi harus dapat diaplikasikan pada:
1.
Bahan Baku

2.
Proses

3.
Memperbaiki bahan baku untuk proses tradisional
Pengembangan bioreaktor
Kultur Mikroba

Memperkaya aplikasi mikroba
Bahan Baku Fermentasi
• Hasil Pertanian
• Sereal, buah-buahan, sayuran, kacang-kacangan
• Hasil Peternakan
• Susu sapi, daging
• Hasil Perkebunan
• Kopi, coklat, tebu
• Limbah Industri
• Molase, jerami, dedak, kulit kopi, kulit coklat, sabut
kelapa, ampas tahu, ampas biji yang telah diambil
minyaknya, air limbah, sampah
Syarat Bahan Fermentasi
• Mudah didapat
• Jumlah besar
• Harga murah
• Ada substitusinya
SUMBER MIKRO-ORGANISME INDUSTRI
1.
Sumber Alami : tanah, air sungai, laut, tanaman,
hewan, limbah, kotoran, dll.
2.
Koleksi kultur: lembaga tempat menyimpan dan
memelihara mikro-organisme
NAMA KOLEKSI KULTUR DUNIA
Tempat
ATTC
CBS
CCM
CDDA
CIP
CMI
DSM
FAT
IAM
NCIB
America Type Culture Collection
Centraal Bureau VoorSchimmelculture
Czechoslovak collection of microorganism
Canadian Department of Agriculture
Collection of The Institute Pasteur
Commonwealth Mycological Institute
Deutsche Samlung Von Microorganism
Faculty of Agriculture Tokyo University
Institute of Applied Microbiology
National Collection of Industrial Bacterial
Rockville, USA
Baarn, Netherland
Canada, Otawa
Paris
Kew, UK
Gottigen, Jerman
Tokyo
Univ of Tokyo
Aberdeen, Scot
London, UK
Bahan baku Fermentasi
• Setiap mikroorganisme memerlukan:
1.
Air
2.
Sumber Energi
3.
Sumber Karbon
4.
Sumber Nitrogen
5.
Mineral
6.
Oksigen (jika aerobik)
Bahan baku Fermentasi
• Air
• Merupakan komponen utama fermentasi
• Yang harus diperhatikan:
• pH
• Garam terlarut
• Bahan buangan terlarut
• Penyiapan air
• deionisasi, penambahan garam, dll
Bahan Baku Fermentasi
• Sumber energi
• Berasal dari oksidasi media atau cahaya
• Sebagian besar mikroorganisme industri adalah chemoorganotrophs
• Sumber energi banyak berasal dari sumber karbon
Bahan Baku Fermentasi
• Sumber Karbon
• Faktor yang mempengaruhi pemilihan sumber karbon:
• Harga , contoh: pembuatan etanol dimana 60-70% biaya produksi
berasal dari bahan baku
• Kemurnian sumber karbon, contoh; ion logam harus dihilangkan dari
karbohidrat pada proses dengan asam sitrat
• Metode preparasi media, khususnya pada proses sterilisasi pada
karbohidrat
• Peraturan pemerintah, contoh penggunaan gula sebagai konsumsi
www.thmemgallery.com
Company Logo
Bahan Baku Fermentasi
• Sumber Karbon
• Sumber karbon:
• Karbohidrat
• Minyak dan lemak
• Molase
• Whey susu
• Hidrokarbon
• Glukosa
• Laktosa
• dll
www.thmemgallery.com
Company Logo
Bahan Baku Fermentasi
• Sumber Nitrogen
• 3-15% berat mikrobia adalah nitrogen
• Sumber nitrogen secara umum:
• Nitrat
• Urea
• Amonia (sebagai kontrol pH dan sumber nitrogen)
• Garam-garam amonium
Company Logo
Bahan Baku Fermentasi
• Mineral
• Dibutuhkan untuk pertumbuhan dan metabolisme
• Contoh mineral penting:
• Magnesium, fosfor, potasium, sulfur, kalsium, klorin
• Mineral lain yang biasanya keberadaannya merupakan impuritis
dalam bahan
• Kobalt, besi, zinc, mangan, tembaga
www.thmemgallery.com
Company Logo
Bahan Baku, Produk , Mikro
Bahan Baku
Produk
Mikroorganisme
Susu
Sour milk product,
LAB, yeasts, acetic acid
curdled milk, sour cream, bacteria, fungi
yoghurt, kefir, koumiss,
sour cream butter,
cheese
Meat
Fermented sausage
HAM
Fungi, yeasts, LAB,
staphylococci,
streptomyces
Fungi, yeasts,LAB,
staphylococci
Fish
Fish sause, fermented
fish silage
Staphylococci, vibrio
costicola, LAB
Olives, cabbage,
cucumber, tomato, and
other
Fermented olive,
saurerkraut, pickled
cucumber
LAB
www.thmemgallery.com
Company Logo
Bahan baku, produk , mikro
Bahan Baku
Produk
Mikroorganisme
Dough and batters made
from cereals
Sourdough, yeast dough, LAB, yeast vide infra
kisra
Malt, Koji, made from
cereals and grains
Beer, sake
LAB, Yeasts, Fungi
Beer, wine
Vinegar
Acetic acid bacteria
Grape and other fruits
Wine
Yeast, LAB, fungi
Soy, locust bean
Soy sauce, tempe
LAB, Bacilli, fungi, yeast
Grass, maize, potato
Silage
LAB
Kabutuhan Oksigen
Aerob:
Mikroorganisme yang untuk pertumbuhannya
membutuhan oksigen bebas
Anaerob: Mikroorganisme yang untuk pertumbuhannya
hanya atau tumbuh baik jika tidak ada oksigen bebas.
Organisme menggunakan oksigen hasil pemecahan substrat
Mikroaerofil: Mikroorganisme yang hanya dapat tumbuh
baik jika konsentrasi oksigen hanya tersedia dalam jumlah
kecil
Fakultatif anaerob/aerob: Mikroba yang dalam
pertumbuhannya tergantung pada konsentrasi oksigen yang
ada dalam medium
Aerotoleran anaerob: Organisme yang selalu dapat tumbuh
pada keadaan anaerob -- it ignors the presence of oxygen.
Kapneat mikroba: Organism yang untuk pertumbuhannya
memerlukan 3 - 10% CO2
For lecture only
BC Yang
Pengaturan lingkungan
untuk pertumbuhan bakteri
Contoh: organisme yang untuk
pertumbuhannya memerlukan 3%
- 10% CO2
Obligat anaerob. Tidak dapat tumbuh
jika terdapat oksigen. Oksigen
terdapat dalam jumlah kecilpun toksik
Contoh: Bacteroides spp.
BC Yang
Company Logo
Aplikasi Bakteri
Bakteri Fermentasi
No.
Nama produk atau
Bahan baku
makanan
Bakteri yang berperan
1.
Yoghurt
susu
Lactobacillus bulgaricus dan
Streptococcus thermophilus
2.
Mentega
susu
Streptococcus lactis
3.
Terasi
ikan
Lactobacillus sp.
4.
Asinan buahbuahan
buah-buahan
Lactobacillus sp.
5.
Sosis
daging
Pediococcus cerevisiae
6.
Kefin
susu
Lactobacillus bulgaricus dan
Srteptococcus lactis
www.thmemgallery.com
Company Logo
Aplikasi Bakteri
Nama Produk
Bakteri yang Berperan
Bir, Roti, wine, keju, Daging
termermentasi
Latic acid bacteria
Vinegar
Spesies Acetobacter
Insektisida
Bacillus thuringiensis
Asam amino
Klebsiela aerogenes
Aseton
Spesies clostridium
Etanol, gliserol
Zymomonas mobilis
Xantan
Xhantomonas campastris
Selulosa (nata)
Acetobacter xylinum
Enzym α-amylase
Bacillus substilis
PROTEIN SEL
TUNGGAL (PST
Protein mikroba sebagai sumber pangan untuk
manusia mulai dikembangkan pada awal tahun 1900.
Protein mikroba ini kemudian dikenal dengan
sebutan Single Cell Protein (SCP) atau Protein Sel
Tunggal. Menurut Tannembaum (1971), Protein Sel
Tunggal adalah istilah yang digunakan untuk protein
kasar atau murni yang berasal dari mikroorganisme,
seperti bakteri, khamir, kapang, ganggang dan
protozoa. Sebenarnya ada dua istilah yang digunakan
untuk produk mikroba ini, yaitu PST (Protein Sel
Tunggal) dan Microbial Biomass Product (MBP) atau
Produk Biomassa Mikrobial (PBM). Bila mikroba yang
digunakan tetap berada dan bercampur dengan masa
substratnya maka seluruhnya dinamakan PBM. Bila
mikrobanya dipisahkan dari substratnya maka hasil
panennya merupakan PST.
Produksi Protein Sel Tunggal dalam Mikroba Berfotosintesa
Ganggang dan bakteri tergolong mikroba berfotosintesa
yang digunakan untuk memproduksi protein sel tunggal.
Pertumbuhan berfotosintesa ganggang yang diingikan,
seperti Chlorella, Scenedesmus, dan Spirulina , adalah
menurut reaksi sebagai berikut :
Karbon dioksida + air + ammonia atau nitrat + mineral → sel
ganggang + oksigen
Tabel proses pilihan untuk membuat protein sel tunggal pada
ganggang.
Organis Bahan Mentah Produksi
Produsen atau
me
Pengembang
Chlorella CO₂ (dengan
2 metrik
Taiwan Chlorella
sp.
foto-2 sintesa); ton/hari
Manufacture Co. Ltd,
sirup tebu, tetes
Taipei
(nonfotosintesa)
Scenede CO₂, urea
smus
(dengan
acutus
fotosintesa)
20mg/m2/h Central Food
ari
Technological
Research Institute,
mysore, India
Spirulina CO₂, atau
maxima NaHCO3
(dengan
fotosintesa)
320 metrik Sosa Texcoco, SA,
ton/tahun Mexico City
PST adalah salah satu aplikasi dari Bioteknologi
• Bioteknologi konvenional :
• Bioteknologi modern
 Pemanfaatkan microorganisme
Memanfaatkan prinsip-
dalam menghasilkan alkohol,
asam asetat, gula dll.
 Microorganisme dapat
mengubah bahan pangan.
 Proses yang dibantu
mikroorganisme, misalnya
dengan fermentasi.
 Adanya penggunaan makhluk
hidup
prinsip ilmiah melalui
penelitian.
Menghasilkan produk
secara efektif dan efisien.
Didasarkan pada
manipulasi atau rekayasa
DNA
Manfaat PST
•Sejak tahun 1910 di Berlin PST dari
Khamir telah yang dikenal dengan
sebutan “food yeast” telah diproduksi
selama perang Dunia I dan II.
•”food yeast” digunakan di Jerman,
Jepang dan Rusia dalam bentuk tepung,
pasta, sirup atau dikeringkan.
Mikroorganisme berperan
•
Khamir
Saccharomyces
cerevisiae
Candyda lipolytica
C. utilis
• Bakteri
Hydrogenomonas sp
Cellulomonas sp
Thermomonaspora fusca
•
Kapang
Aspergillus fumigatus
Trichoderma viride
Fusarium sp
•
Ganggang
Scenedesmus acutus
Spirulina maxima
Kelebihan
•Produksi protein lebih cepat dan efisien dibandingkan
produksi protein nabati atau hewani
•Nilai gizi PST lebih tinggi dibandingkan protein nabati karena
komposisi asam amino lebih lengkap
•Produksi PST tidak memerlukan tempat yang luas
dibandingkan produksi protein nabati atau hewani
•Produksi PST tidak dipengaruhi kondisi luar karena kondisi
fermentasi dapat diatur
•Proses produksi PST fleksibel karena dapat digunakan
berbagai substrat dan mikroorganisme
Kelemahan
•Kandungan asam nukleat tinggi
•Mikroorganisme mungkin mengadsorbsi
komponen beracun atau karsinogenik yang
terdapat di dalam substrat
•Dinding sel mikroorganisme kadang-kadang
mengandung komponen yang tidak dapat dicerna
dan bersifat racun atau menyebabkan alergi
•Fluktuasi harga dan persediaan substrat yang tidak
tetap
6. Diagram proses / Tahapan produksi PST