Teknologi Fermentasi dan Peningkatan Kualitas Pakan Retno I Pujaningsih Laboratorium Teknologi Makanan Ternak Fakultas Peternakan UNDIP 2005 BIOTEKNOLOGI Penggunaan mahluk hidup atau bagian-bagiannya untuk menghasilkan barang atau jasa secara industri Mikrobiologi Biologi Molekular Genetika Molekular Biokimia Biologi Sel Rekayasa Proses Bioteknologi Diagnosa Kesehatan Industri Kimia Industri Fermentasi Industri Farmasi Lingkungan dan Energi Industri Pangan dan Pakan rip-biotek-fermentasi 3 Perkembangan Bioteknologi Jaman sebelum Louis Pasteur • 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 rip-biotek-fermentasi 4 Perkembangan Bioteknologi Jaman sebelum Louis Pasteur • • 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, Æ dsb Bapak Bioteknologi rip-biotek-fermentasi 5 Perkembangan Bioteknologi Jaman Louis Pasteur • Alkohol (Etanol, Butanol, aseton, gliserol) • Asam organik (Asam sitrat, asam asetat) • Pengolahan limbah secara aerob rip-biotek-fermentasi 6 Perkembangan Bioteknologi Jaman 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 7 Perkembangan Bioteknologi Jaman 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 8 ARAS PENERAPAN BIOTEKNOLOGI ARAS TINGGI MENENGAH RENDAH MASUKAN KELUARAN Modal besar, alat dan proses canggih, operator terdidik Modal menengah, alat dan proses tidak terlalu rumit Modal kecil, alat dan proses sederhana, operator tak terdidik Produk bernilai tinggi untuk kesehatan dan pangan Pangan, pakan, pupuk dan pestisida hayati Produk bernilai rendah, sanitasi, pemanfaatan limbah rip-biotek-fermentasi 9 Contoh produk pakan hasil fermentasi • • • • Fermentasi jerami Fermentasi dedak Fermentasi pucuk tebu Fermentasi ikan rucah, bekicot rip-biotek-fermentasi 10 Definisi Fermentasi Fermentasi merupakan proses pemecahan senyawa organik menjadi senyawa sederhana yang melibatkan mikroorganisme. Glukosa CnH2n+1OH. Rumus kimia umum alkohol rip-biotek-fermentasi 11 Definisi Fermentasi Mikroorganisma Klasik : Urai seny.2 org.komplek seny. sederhana Anaerob Mikroorganisma Modern : 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 Æ produk yg bernilai lebih tinggi Misalnya: - Etanol, Asetat - Antibiotik, Enzim, Vitamin, Protein sel tunggal dsb. rip-biotek-fermentasi 12 Tujuan Fermentasi Menghasilkan suatu produk (bahan pakan) yang mempunyai kandungan nutrisi, tekstur, biological availability yang lebih baik Disamping itu juga menurunkan zat anti nutrisinya rip-biotek-fermentasi 13 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 Æ substrat larut dan atau tak larut (KA > 80 %) rip-biotek-fermentasi 14 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 15 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 16 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 17 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 18 Jenis-jenis Fermentasi • Berdasarkan produk yang dihasilkan – – • Berdasarkan proses kerja – – – – – • Alcoholic fermentation Lactic acid fermentation Batch culture fermentation Fed culture fermentation Semi batch culture fermentation Continuous culture fermentation Recycling continuous culture fermentation Berdasarkan kondisi – – Aseptis/ steril Æ pembuatan alcohol dan asam sitrat Semi aseptis / tdk kurang steril Æ pembuatan tempe, kecap, silase rip-biotek-fermentasi 19 • Alcoholic Fermentation • Lactic acid Fermentation rip-biotek-fermentasi 20 • Batch culture : tanpa penambahan substrat selama fermentasi berlangsung • Fed batch culture: bbrp nutrisi/media ditambahkan slm fermentasi dlm interval tertentu, tdk ada medium pertumbuhan yg dipindahkan • Semi batch culture: sebag dari cairan fermentasi dipindahkan stlh proses berlangsung (70-80 %) & sel yg tertinggal dlm tangki diendapkan/disentrifugasi digunakan 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 kerip-biotek-fermentasi fermentor 21 Fase Fermentasi rip-biotek-fermentasi 22 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 sel Sel membesar ukurannya Secara fisiologis sel aktif & mensintesa enzim baru utk beradaptasi dg lingkungan baru rip-biotek-fermentasi 23 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 24 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 ke fase stasioner rip-biotek-fermentasi 25 Phase: Decline or Death • Tingkat pertumbuhan negatif, artinya jumlah sel yg 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 26 Proses Fermentasi • Glikolisis 2 pyruvic acid molecules glucose rip-biotek-fermentasi 27 Proses Fermentasi Pyruvic acid + 2H+ Ethanol and CO2 Lactic acid rip-biotek-fermentasi 28 Tahapan Proses Fermentasi • Formulasi medium yg akan digunakan utk menumbuhkan mikroorganisme Æ 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 29 Pemurnian Produk (bila berasosiasi dg Biomasa) Perlakuan Efluen Pengembangan Inokulum Kultur Sediaan Labu Kocok Biomasa (Sel) Fermentor Pengembangan Inokulum Fermentor PRODUKSI Cairan Kultur Sterilisasi Supernatan Bebas sel Formulasi Medium Bahan Medium rip-biotek-fermentasi Pemisahan Sel Perlakuan Efluen Pemurnian Produk (bila berasosiasi dg Supernatan) 30 Faktor2 yang mempengaruhi fermentasi Suhu Oksigen (kondisi aerob/ anaerob) Kandungan air medium/ substrat Jml dan macam Inokulum (starter m.o) PH medium (awal fermentasi) Kandungan nutrisi medium Jenis substrat rip-biotek-fermentasi 31 Pemilihan Substrat Fermentasi • Perlu substrat murah, mudah tersedia & efisien penggunaannya • Peluang penelitian Æ menemukan substrat baru yg lebih efisien • Apakah substrat baru lebih baik Æ 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 Æ pemilihan substrat mrpk hal utama (bersaing) Æ Con.: produk as. amino glutamat, lisin, metionin dsb.) • Produk yg hanya dihasilkan scr fermentasi Æ as. sitrat & antibiotik rip-biotek-fermentasi 32 Beberapa faktor yg mempengaruhi pemilihan substrat : 1. Kontinyuitas ketersediaan Tersedia sepanjang tahun; jangan dr bhn yg musiman/ ketersediaannya terbatas Dpt disimpan dalam beberapa bulan, mutu dan komposisinya relatif tetap 2. Sifat fermentasi Substrat hrs dpt difermentasi Mis: Produksi PST Æ Trichoderma viridae dpt tumbuh baik pd substrat selulosa (jerami padi); tetapi tdk dpt tumbuh baik pd bungkil kelapa 3. Harga substrat Murah dan dpt digunakan sesuai kebutuhan rip-biotek-fermentasi 33 Sterilisasi (proses bebas kuman, virus, spora, jamur) • Cara alami: pemanasan dalam air mendidih • Cara kimiawi: antiseptik & desinfektan Pasteurisasi rip-biotek-fermentasi 34 Teknik Pemanenan Produk Fermentasi Dimensi 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 stasioner Metabolit Sekunder (Æ tdk punya peranan langsung utk kehidupan M.O.) Æ Mis : Antibiotik (penisilin, oksitetrasiklin, streptomisin, aktinomisin) dan Alkaloid rip-biotek-fermentasi 35 Proses Produksi Pemanfaatan langsung : Silase, Yoghurt, SCP/ PST Sentrifuse Sel / PST Cairan Pemecahan sel dg pembekuan/ sonicator Ekstraksi (Pelarut organik) Senyawa polar Dan Medium Sentrifuse Sel/PST Senyawa Non polar Ekstraksi pelarut organik N butanol Cairan Produk Metabolit Cairan mengendap, Senyawa polar N butanol Pemisahan lanjut sesuai kebutuhan rip-biotek-fermentasi 36 Ada yang ingin ditanyakan ? rip-biotek-fermentasi 37 rip-biotek-fermentasi 38
