teknologi fermentasi

TIN 321 / 2 (2-0)
m.k. SATUAN PROSES
XIV. TEKNOLOGI FERMENTASI I
Proses Konversi Yang Memanfaatkan
Teknologi Fermentasi
DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
SATUAN PROSES PADA FERMENTASI
 Perubahan-perubahan kimia yang terjadi di dalam sel
mikroba pada waktu sel tumbuh & berkembang biak
Biokimia  fermentasi = aktifitas mikroba untuk
memperoleh energi yang diperlukan untuk metabolisme &
pertumbuhan.
Fisiologi sel : pempelajari perubahan-perubahan
yang terjadi di dalam sel mikroba yang berhubungan
dengan perkembangan, pertumbuhan dan daur hidup
mikroba
Reaksi kimia penting dlm mikroba adalah reaksi oksidasi &
reduksi (pelepasan & penerimaan elektron)
Teknologi Fermentasi = ilmu teknik terapan yang
mendasari industri fermentasi  pemanfaatan terpadu
mikrobiologi, biokimia, kimia, keteknikan, rekayasa
genetika/biologi molekuler
Industri Fermentasi  pemanfaatan aktifitas mikroba
untuk menghasilkan berbagai produk/jasa yang
berguna bagi kemaslahatan manusia
• Istilah ‘fermentasi ‘berasal dari bahasa Latin= “ferfere”
(to boil) untuk aktifitas khamir pada juice buah-buahan atau
biji-bijian/serealia yg berkecambah (malted barley)
• Pengertian Fermentasi = aktifitas mikroba unutuk
memperoleh energi yang diperlukan untuk metabolisme &
pertumbuhannya melalui katabolisme secara anaerobik
(tanpa oksigen)
Secara luas : mencakup aktivitas metabolisme baik
aerobik maupun anaerobik = KULTIVASI
Kelebihan Proses Fermentasi :
 Membuat produk yang tidak dapat, sulit atau tidak
ekonomis diperoleh melalui proses kimia
(enzim  reaksi spesifik)
 Kondisi proses lebih “lunak” (suhu ruang, tekanan
atmosfir, pH netral)
 Efektif  biasanya laju reaksi enzimatis > reaksi kimia
 Bahan baku dapat diperbarui  produk bersifat lebih
ramah terhadap lingkungan
 Dapat mengubah bahan yang murah menjadi produk
yang bernilai ekonomi tinggi
Contoh : pangan  aroma, tekstur, daya cerna & daya
tahan simpan lebih baik
Kelemahan Proses Fermentasi :
 Campuran produk kompleks (camp. sel mikroba, produk,
hasil samping, sisa media) proses hilir sulit
 Cairan fermentasi bersifat encer & produk sedikit 
proses hilir mahal
 Resiko kontaminasi selama fermentasi
 Hasil beragam  sel mikroba cenderung melakukan
mutasi thd perubahan lingkungan, sehingga kehilangan
kemampuan berproduksi dapat hilang/menurun
Metabolisme  paduan reaksi-reaksi dimana sel
menggunakan sumber-sumber bahan untuk memperoleh :
- energi
- blok pembangun kimiawi (dinding sel dll)
- bahan-bahan dan energi untuk pemeliharaan sel,
pertumbuhan, pergerakan dan reproduksi
Metabolisme :
a. Katabolisme (pemecahan)
b. Anabolisme (biosintesis)
Produk : hasil proses katabolisme atau anabolisme
Media (substrat dll)  sbg sumber energi, pembentuk sel
dan produk metabolisme
METABOLISME
Katabolisme (pemecahan) :
Menghasilkan energi dan produk metabolik/antara
yang selanjutnya digunakan untuk seluruh aktivitas
seluler, termasuk kegiatan biosintesis (anabolisme),
kerja mekanis (motilitas) dan kerja osmotik dan elektrik
(transpor nutrien)
Anabolisme (biosintesis) :
Penyusunan bahan sel tidak hanya dari konstituen
utama ( protein, asam nukleat, lemak, karbohidrat dll)
tapi juga dari senyawa antara (asam amino, purin,
pirimidin, asam lemak, gula dll)  memerlukan energi
ANABOLISME
(Biosintesis)
KATABOLISME
(Khimosintesis)
Sumber Energi
Fosforilasi substrat
& Oksidatif
KATABOLISME
(Fotosintesis)
Biopolimer
Cahaya
RNA, DNA,
Protein
Fosforilasi
Bioelemen/intermediet
(asam amino, purin dll)
Panas
ATP
ADP
ATP
ADP
Panas
Pengumpulan
intraseluler
Produk metabolisme
Substrat
Skema Proses Metabolisme di dalam Sel Mikroba
KATABOLISME
Glukosa = sumber energi & sumber karbon  “Metabolisme
Sentral”  glikolisis & Siklus Asam Sitrat
Pada mikroba dikenal 4 jalur pemecahan glukosa menjadi
asam piruvat :
1. Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis
2. Jalur Heksosamonofosfat (HMF)
3. Jalur Entner-Doudoroff (ED)
4. Jalur Fosfoketolase (FK)
 tergantung jenis mikroba & ketersediaan substrat
Piruvat  menjadi kunci dalam proses katabolisme
selanjutnya, Contoh :  asam laktat,
etanol (khamir) dll
Metabolisme Piruvat Secara Anaerobik
•
Beberapa mikroba memetabolisme piruvat dengan
berbagai jalur kondisi anaerobik
• Contoh :
Mikroba
Produk Utama
Clostridia
Asam butirat, asam asetat, butanol, etanol,
aseton, CO2, H2
Enteric bacteria
(E. coli,
Aerobacter aerogenes)
Asam asetat, etanol, CO2 , H2 atau asam format,
asam laktat, asam suksinat, 2,3-butilen glikol
Khamir
Etanol, CO2
Homofermentatif
lactobacilli
Lactic acid
ANABOLISME (BIOSINTESIS)
1. Biosintesis Asam Amino
2. Biosintesis Asam Lemak
3. Biosintesis Karbohidrat
4. Biosintesis Nukleotida
5. Biosintesis Antibiotika
6. dll
Pelajari lagi bahan kuliah Dasar Rekayasa Biokimia
KOORDINASI METABOLISME MIKROBIAL
 Mikroba mempunyai mekanisme metabolisme yang
terkoordinasi dengan baik :
 mempunyai enzim-enzim yang dibentuk dan berfungsi
dengan cara terpadu, sehingga molekul-molekul
terbentuk dengan proporsi tepat dan nutrien berharga
tidak terbuang percuma
 Mencegah “overproduction” metabolit/prekursor dan blok
pembangun
Contoh : metabolisme pati untuk biosintesis oleh mikroba
Menjamin pada waktu tertentu hanya disintesisi enzim
yang diperlukan dan dalam jumlah tepat (efisien)
METABOLISME PATI
Substrat Pati
Glukosa
Siklus Krebs
Sel
C2&C3
Senyawa antara + energi
Protein, DNA, RNA,
mukopeptida,
polisakarida, koenzim,
lipida
Struktur sel (nukleus,
ribosom, flagela, dinding
sel, membran,
mitokondria)
“building blocks”
(asam amino, ribonukleotida,
vitamin, asam organik, gula)
Lintasan Biokimiawi Sederhana A ke C dapat mengalami :
induksi, penghambatan umpan balik, represi umpan
balik dan represi katabolit
Glukosa
Induksi
A
B
Penghambatan
umpan balik
Represi Katabolit
Enzim a
Enzim b
C
Enzim c
D
Enzim d
E
Represor
Represi umpan balik
Asam amino
(bahan pembuat
enzim)
REGULASI METABOLISME
 M.o mempunyai adaptasi yang baik terhadap perubahan
lingkungan  m.o dengan proses metabolisme yg lebih
efisien akan menang kompetisi dengan m.o lain
 Mekanisme pangaturan metabolisme pada keadaan
lingkungan yang berubah :
1. Adaptasi Genotip
 disertai perubahan gen
2. Adaptasi Fenotip
 penyesuaian dengan cara mengatur
metabolismenya, sehingga tumbuh lebih
efisien dalam lingkungan baru
 tidak disebabkan oleh perubahan gen
 cara adaptasi : dengan mengatur sintesis
enzim atau aktivitas enzim
PENGATURAN METABOLIK
Enzim Katabolik  diatur oleh Induksi & Pengaturan Katabolit
1. Induksi
 terhadap sintesis enzim & terjadi pada tingkat gen
- induksi = peningkatan relatif laju sintesis suatu enzim
tertentu hanya jika ada induser (terjadi pd tk transkripsi)
(= substratnya atau komponen yang serupa/analog)
- Mo banyak yang dapat menggunakan berbagai sumber
karbon, agar efisien m.o hanya mensintesis enzim yang
dibutuhkan untuk memecahkan substrat yang ada.
 induksi menjamin energi dan asam amino tidak sia-sia
untuk memproduksi enzim yang tidak diperlukan
Contoh : Pemecahan laktosa oleh E.coli
(substrat utama glukosa)
Enzim konstitutif
Laktosa
Asam piruvat
glukosa
Enzim terinduksi
Laktase : enzim
terinduksi (langsung)
galaktosa
Glukosa-1-P
(tidak langsung)
Enzim konstitutif : e.g enzim pemecah glukosa diproduksi
setiap saat
Enzim terinduksi dibutuhkan terutama bila m.o berada
dalam lingkungan media terbatas nutrien (Contoh bila
E.coli ditumbuhakan pada laktosa, maka gen-gen
penyandi berbagai enzim yang terlibat dalam
pemanfaatan laktosa akan diekspresikan
Contoh Induser beberapa Enzim
Enzim
Induser Substrat
Induser analog
β-galaktose
Laktosa
Isopropil-β-D
thiogalaktosa
Penisilase
Benzil penisilin
Methisilin
Maleat cis, trans Asam maleat
isomerase
Amidase alifatik Asetamida
Asam malonat
Tirosinase
D-tirosin
D-fenilalanin
L-tirosin
N-metilasetamida
Induser Produk Metabolisme
Enzim
Induser Produk
Amilase
Lipase
Histidase
Maltodekstrin
Asam lemak
Asam urokanat
Poligalakturonase
Asam galakturonat
Induser Koenzim
Enzim
Induser Koenzim
Piruvat dekarboksilase Thiamin
2. Represi Katabolit :
 penurunan relatif laju sintesis suatu enzim spesifik,
karena ada :
a. Sumber karbon yang lebih dapat diasimilasi
= Efek Glukosa
b. Sumber Nitrogen
Enzim yang aktif memecah substrat yang mengandung
nitrogen dapat direpresi oleh amonia atau asam amino
Contoh : - Protease Bacillus (direpresi oleh asam amino)
- Nitrit/nitrat reduktase, nitrogenase, asparginase
(direpresi oleh ggs amino)
c. Sumber Fosfat dan Sulfur
Contoh : - Fosfatase E. coli  direpresi oleh fosfat
anorganik
Contoh : repressi katabolit = glucose effect)
Biosintesis metabolit sekunder (diproduksi pada fase
stasioner) dapat dihambat oleh substrat yang dapat
dimetabolisme secara cepat oleh mikroba
Produksi penisilin oleh Penicillium chrysogenum dengan
menggunakan media campuran glukosa dan laktosa.
Glukosa
substrat yang buruk dan menghambat
sintesis penisilin (dikonsumsi saat fase
eksponensial/trophophase untuk pertumbuhan sel)
Laktosa
menyokong produksi penisilin dengan baik
(fase stasioner/idiophase)
Alternatif lain : glukosa diumpankan secara lambat
Enzim Biosintetik  diatur oleh Pengaturan Umpan Balik
3. Pengaturan Umpan Balik
 Tipe :
a. Penghambatan umpan balik  terjadi pada tingkat
molekuler
 Metabolit akhir lintasan menghambat enzim pada
awal sekuens (inhibitor = produk akhir)
b. Represi Umpan Balik
Pencegah pembentukan enzim  tingkat gen
(a) dan (b) untuk mengatur kecepatan pembuatan
produk akhir terhadap kecepatan sintesis makro molekulnya
4. Pengaturan Umpan Balik pada Jalur Bercabang
 Lintasan biosintesis pada umumnya adalah jalur
bercabang dan menghasilkan lebih dari satu produk akhir
 Pengaturan umpan balik oleh salah satu produk dapat
mengganggu pembentukan produk akhir lainnya,
sehingga dapat mengganggu metabolisme sel.
 Untuk mencegah hal tersebut m.o mempunyai
mekanisme pengaturan sebagai berikut.
a. Pengaturan Diferensial oleh Isoenzim
Beberapa enzim mengkatalisis reaksi yang sama dan
dikontrol produk akhir yang berbeda
contoh : 3 jenis enzim Aspartokinase (isoenzim)
dikontrol oleh produk akhir : lisin, threonin dan metionin
(E, G & H)
E
A
B
C
D
H
F
G
b. Pengaturan Umpan Balik Terpusat (Harmonis)
Hanya satu enzim yang terlibat, tapi dikontrol oleh
banyak produk akhir (E, G & H) dalam jumlah berlebih
untuk dapat memberikan efek penghambatan atau
represi (penekanan)
E
D
A
B
C
F
G
H
c. Pengaturan Umpan Balik Kumulatif (Terpadu)
Produk akhir (E, G & H) bertindak sendiri-sendiri dan
efek panggabungannya bersifat kumulatif terhadap
penghambatan aktivitas enzim
contoh: Glutamin sintetase E.coli dihambat oleh 8 jenis
produk akhir
A
B
C
D
F
H
E
G
5. Pengaturan Asam Amino pada Sintesis RNA
Kehabisan asam amino pada media pertumbuhan
 sintesis RNA terhenti  sintesis protein (enzim) terhenti
Pengaturan asam amino dapat mengatur sintesis enzim
6. Pengaturan Muatan Energi
(ATP ) + 0.5 (ADP)
ME =
(AMP) + (ADP) + (ATP)
ME
: enzim yang mensintesis ATP terhambat
(isositrat dehidrogenase, fosfofruktokinase)
• ME
: enzim yang mengkonsumsi ATP terhambat
(piruvat karboksilase, aspartokinase)
•
7. Kontrol Permeabilitas
 secara selektif akan membawa nutrien penting yang
dibutuhkan sel
1. Difusi Pasif
dengan gerakan molekuler secara acak dan
tidak perlu energi  dengan perbedaan
konsentrasi
Konsentrasi tinggi
Membran
Konsentrasi rendah
Konsentrasi seimbang
2. Difusi Dipermudah
- Tidak perlu energi
- Solut terikat secara reversibel oleh protein
transpor (permease) sebagai “carrier”
S
S
T
T
S
S
S
TS
TS
S
S = Solut
T = Protein transpor
S
S
3. Transpor Aktif
Melawan gradien konsentrasi dan perlu energi
(mekanisme spesifitas tinggi)  laktosa, galaktosa,
heksosa-6-fosfat
S
S
TS
S
S = Solut
T = Protein transpor
T
T
TS
S
ADP + Pi
ATP
 Energi bebas sistem meningkat
4. Solut Dimodifikasi Secara Kimia & Perlu Energi
contoh : transportasi gula & turunannya
 glukosa, fruktosa, manitol
S
E
S
E - S
X
- X
S = substrat 1
E = enzim yang terikat pada membran
X = substrat 2
TEKNIK MANIPULASI REGULASI
 agar mikroba membuat produk dalam jumlah besar
1. Pengubahan Pengaturan Umpan Balik :
a. Pembatasan kemampuan sel mengakumulasi
penghambatan dan penekanan produk akhir
b. Penggunaan mutan tahan terhadap umpan balik
(mutasi genotip)
2. Pengubahan Permeabilitas
1. Pengubahan Pengaturan Umpan Balik :
1.a. Pembatasan Akumulasi Produk Akhir
(1) Produksi senyawa antara pada Lintasan
sederhana  contoh produksi C
A
Enzim a
B
Enzim b
C
Enzim c
D
Enzim d
E
Keterangan:
: penghambatan enzim a oleh E
: penekanan enzim a dan b oleh E
: mutan tidak mempunyai enzim c dan membutuhkan E
untuk pertumbuhannya (mutan auksotropik =
mutan yang mempunyai jalur biosintetik ‘cacat’ tetapi
dapat kembali tumbuh normal bila diberi produk
lintasan tersebut)
Bila diberikan E dalam jumlah sedikit, tidak terjadi penghambatan dan penekanan
enzim, sehingga C diproduksi secara berlebihan (dalam jumlah besar)
 Contoh:
- Bacillus subtilis (auksotropik arginin)  produksi sitrulin
(detoxification, energy promotion, immune system
stimulation, and arginine production.
Lintasan metrabolisme :
glutamat    ornithin  sitrulin   arginin
- Corynebacterium glutamin (auksotrop arginin) 
produksi ornitin (merangsang pankreas menghasilkan
insulin, meningkatkan fungsi lever, mengurangi lemak )
Kilogram
glutamat    ornithin  sitrulin   arginin
(2). Produksi senyawa antara pada jalur bercabang
Contoh : produksi IMP (inosine 5-monophosphate)
 peningkat cita rasa oleh Micrococcus glutamicus
PRPP
Represi
Represi
Penghambatan PRPP amidotransferase Penghambatan
IMP
IMP
Dehidrogenase
S-AMP
Sintetase
Penghambatan
XMP
S-AMP
AMP
GMP
Eksogenus adenin
Keterangan:
PRPP : Fosforibosil pirofosfat
IMP : inosin 5’-monofosfat
AMP : adenosin 5’-monofosfat
GMP : guanosin 5’-monofosfat
AMP dan GMP merupakan penghambat umpan balik
kumulatif
: menghambat
: menekan
: Mutan tidak mempunyai S-AMP
sintetase dan membutuhkan eksogenus
adenin (prekursor AMP yang permeabel)
dalam membuat AMP untuk pertumbuhannya
Jadi bila adenin ditambahkan pada batas konsentrasi
untuk pertumbuhannya  terjadi ‘over production’ IMP
METHODS OF 5’-NUCLEOTIDE (IMP & GMP)
PRODUCTION
(1) Direct fermentation of sugars into 5’-GMP
and 5’-IMP
(2) Direct fermentation of sugars into nucleosides
with subsequent phosphorylation into
corresponding nucleotides.
(3) Degradation of RNA using phosphodiesterase
enzyme. Subsequent conversion of 5’-AMP to 5’IMP using adenylic deaminase enzyme.
(4) Any combination of above three procedures
xa.yimg.com/kq/groups/21784460/638883800/name/Aula1.ppt
(2). Akumulasi Produk Akhir
 Pelaksanaan lebih mudah bila jalur reaksi bercabang
 Prinsip :
A
X
B
 Bila jalur B ditekan  produksi A melimpah
 Contoh : fermentasi lisin (aditif serealia)
PRODUKSI ASAM AMINO LISIN
Aspartat
aspartokinase
Aspartil fosfatase
Aspartat semi aldehid
Dihidropikolinat
sintetase
mutan tidak
mempunyai
= homoserin
dehidrogenase
& memerlukan
threonin untuk
pertumbuhan
homoserin
dehidrogenase
Homoserin
Lisin
Threonin
Metionin
Penghambatan Umpan Balik Harmonis
Isoleusin
 Lisin & Threonin = penghambatan umpan balik
harmonis
 Threonin ditambahkan pada batas konsentrasi untuk
pertumbuhan, sehingga tidak terjadi penghambatan
umpan balik harmonis  lisin diproduksi secara
berlebihan.
 Contoh mikroba : - Corynebacterium glutamin
- Brevibacterium flavum
(1b). Penggunaan Mutan Resisten Umpan Balik
 Isolasi mutan dengan cara melihat ketahanan terhadap
senyawa beracun yang analog dengan senyawa yang
diinginkan (=antimetabolit)
mati
Sel m.o + antimetabolit
‘survive’
Mampu
menghasilkan
metabolit dalam
jumlah besar
Produksi Asam Amino A
 Bila sel m.o + asam amino analog (A’) = antimetabolit
 mutan yang masih bertahan hidup , resisten
terhadap A’ dan masih dapat tumbuh dengan baik
dan mampu membentuk A
 Mutan yang resisten disebabkan :
- ada perubahan struktur enzim (mutan tahan terhadap
penghambatan umpan balik)
- ada perubahan sistem pembentukan enzim
(mutan yang tahan terhadap represi umpan balik)
Produk
M.O.
Resisten analog Substrat
L Arginin
L Histidin
C.
D-Arginin, Arginin Glukosa
glutamicum
hidroksamat
C.glutamicum Triazolealanin
Glukosa
L Isoleusin
B flavum
α amino-β
hidroksivalerat
O metilthreonin
Glukosa
L Threonin
B. flavum
α-amino-β
hidroksivalerat
Glukosa
(2) Pengubahan Permeabilitas
 Produksi Glutamat:
- Embden-Meyerhof Parnas (Glikolisis)  Siklus Krebs
Bila akumulasi produk glutamat secara intraseluler
terjadi sampai jenuh, maka produksi glutamat berhenti
oleh sistem penghambatan umpan balik
Bakteri : Genus Micrococcus, Corynebacterium,
Brevibacterium, Microbacterium
Ciri utama mikroba penghasil glutamat :
- Tidak memiliki enzim α-ketoglutarat dehidrogenase,
sehingga α-keto glutarat diubah menjadi glutamat &
tidak menjadi suksinil Ko-A
- memerlukan biotin (‘growth factor’) dalam sintesis asam
lemak dalam pertumbuhannya
Modifikasi :
Permeabilitas membran harus ditingkatkan  diubah
dengan pengaturan penambahan biotin (optimum 15μg/l) atau penisilin dan turunan asam lemak
Biotin yaitu kofaktor esensial pada biosintesa asam
lemak  Defisiensi biotin menyebabkan kerusakan
membran sebagai akibat kekurangan fosfolipida.
Bila permeabilitas membran meningkat, glutamat
akan diekskresikan keluar sel, sehingga produksi
glutamat dapat terus berjalan
MSG
FAO dan WHO mengelompokkan MSG sebagai Food
Additive (zat tambahan makanan) dengan Acceptable Daily
Intake (ADI) sebesar 120 mg/kg berat badan/hari.
Nilai ambang keamanan ini harus diperhatikan oleh setiap
konsumen MSG agar tidak melebihi jumlah konsumsinya.
Jika dibuat berat tubuh orang dewasa Indoesia rata-rata
sebesar 50 kg maka konsumsi tiap harinya aman jika tidak
melebihi 120 mg x 50 = 600 mg (6 g)
http://idblognetwork.com/ process-of-making-monosodium-glutamate.html
Separation Glutamate Acid (GA)
The fermentation last 35-45 hours and then the fermentation is
centrifuged to remove biomass and the other solid organic
materials.
Glutamic acid is in solution then will be separated by resin,
where the glutamic acid will be detained in the resin.
To get MSG, resin which already contain glutamate acids is
regenerate with NaOH solution, where the solvent has been used
to regenerate resin, already contain MSG.
Then to get MSG becomes white, this decolorized with active
carbon solution. The establishment of the MSG can be seen from
the chemical reaction following :
Tugas kelompok  dikumpulkan pada saat UAS
-Tiap kelompok terdiri dari : 4 orang
- Buatlah makalah tentang :
Pengembangan produk pewarna (pigmen),
bahan flavor atau fragrance, enzim atau produk
mikrobial lain yang berprospek untuk dikembangkan
di Indonesia (pilih satu jenis produk)
Outline makalah :
- Prospek produk (ketersediaan bahan baku, nilai tambah
tinggi, proses feasible dilakukan, substitusi impor dll)
- Proses produksi : bahan, proses/mekanisme/
reaksi yang terjadi
- Sumber pustaka