Selamat Datang di X3-PRIMA, Melayani Setulus Hati, Memberikan yang terbaik

13.8.09

Fermentasi

RANGKUMAN FERMENTASI


Oleh Hendrayana Taufik



Metabolite Mikroorganisme
Senyawa2 terbentuk oleh siklus kreb mementuk ikatan 20 asam amino, 4 rionukleotida, 4 deoksirionukleotida sekitar 10 vitamin, asam-asam lemak, gula, alkohol, asam2 organic dan heksosamin.
Metabolite primer adalah persenyawaan-persenyawaan yang merupakan produk akhir atau produk antara yang dihasilkan dari proses metabolisme sel, yang mempunyai bobot molekul rendah sebagai penyusun molekul yang leih besar, atau dikonversi menjadi koenzim.
Metabolite sekunder adalah hasil metabolisme yang disintesis oleh beberapa mikroorganisme tertentu yang tidak merupakan kebutuhan pokok mikroorganisme untuk hidup dan tumbuh. Beberapa contoh metabolite sekunder adalah antibiotika, pigmen, vitamin dan steroid.
Keunggulan mutan C. glutamicurn adalah : tidak terjadi penghambatan atau penekanan oleh lisin trhdap enzim dihidropirokinat sintetase dan dihidropikolinat reduktase, dan lisin tidak bisa mengalami dekarboksilasi karna tidak tersedia enzim lisin dekarboksilase.

Galur
Pengembangan galur bertujuan untuk mendapatkan mikroa hasil mutasi (mutan) yang bersifat leih unggul, yaitu :
• dapat beradaptasi dengan baik pada proses fermentasi
• tingkat produksi lebih tinggi
• waktu fermentasi lebih singkat
• dapat menggunakan substrat yang lebih murah
• tidak menghasilkan produk yang tidak diinginkan
• tidak mementuk busa
• tingkat konsumsi oksigen lebih murah
Mutasi genetik adalah perubahan dalam kromosom yang diturunkan ke generasi penerusnya. Dalam proses mutasi terjadi perubahan rangkaian nukleotida DNA. Mutasi dapat terjadi secara spontan dan terus menerus dengan laju lambat. Mutasi spontan terseut dapat terjadi setiap 106-107 duplikasi gen, atau untuk setiap generasi dijumpai mutan baru diantara 106-107 sel mikroba. Beberapa kemungkinan mutasi antara lain :
- Transisi yaitu penggantian suatu basa purin (adenin, Guanin) dengan basa purin lainnya, atau pirimidin (timin,Sitosin) dengan pirimidn lainnya pada pasangan basa molekul DNA lainnya.
- Transversi, yaitu penggantian suatu basa purin dengan pirimidin atau sebaliknya pada pasangan basa molekul DNA.
- Mutasi Frame-Shift, terdiri dari : (a) penyisipan (insersi), yaitu penyisipan sepasang nukleotida dari rantai molekul DNA.
Komponen mutagenik yaitu komponen yang dapat meningkatkan laju mutasi, diantaranya adalah senywa kimia, sinar X, dan sinar ultra violet. Laju mutasi yang terjadi yaitu satu untuk setiap 103-105 duplikasi gen pada mutan penghasil metabolit sekunder, dan 10-100 pada mutan auksotrop. Mutasi yang disebabkan oleh komponen mutagen disebut mutasi terinduksi.

Perbaikan mutasi
Perbaikan kerusakan DNA oleh sel dapat dilakukan melalui mekanisme : Perbaikan bebas kesalahan, yaitu DNA yang telah diperbaiki persis seperti keadaan semula. Perbaikan dengan fotoreaktivasi, mekanisnme : enzim fotoreaktivasi dapat memutuskan ikatan kovalen basa timin-timin (dimer timin).
Perbaikan eksisi, mekanisme DNA yang rusak dipotong pada bagian yang rusak, lalu disambung kemali oleh enzim polimerase dan ligase. Perbaikan rekombinasi postreplikatif, mekanisme : Utas DNA induk yang rusak akan menghasilkan DNA tiruan yang mempunyai celah setelkah duplikasi.
Perbaikan tidak bebas kesalahan
Bagian DNA yang rusak diperbaiki dengan komponen yang mungkin tidak sama dengan komponen yang hilang.

Seleksi mutan
Seleksi merupakan prosedur untuk mendeteksi dan mengisolasi sel mikroba yang diinginkan dari sekian banyak populasi mikroba alami, atau yang telah mendapat perlakuan dengan komponen mutagen. Biasanya dilakukan proses mutasi berulang dengan tujuan untuk mendapatkan biakan atau galur yang menguntungkan ila dipakai dalam industri fermentasi.
Karateristik mutan yang diharapkan :
a. Murni, terbebas dari segala mikroba kontaminan dan fage (virus penyerang bakteri)
b. Dapat memproduksi sel vegetatif dan spora atau unit propagasi (perbanyakan) lainnya
c. Mudah tumbuh subur dengan fase lag yang pendek.
d. Menghasilkan produk tunggal dalam jumlah yang banyak, mudah dipanen, dan bebas dari senyawa bersifat toksik
e. Mikroa yang digunakan dapat menghasilkan produk metabolit atau biomassa dalam waktu yang singkat, tidak lebih dari tiga hari
f. Dapat tumbuh pada kondisi lingkungan ekstrim, misalnya sangat asam, suhu relatif tinggi, atau mampu menghasilkan inhibitor bagi organisme kontaminan
g. Mempunyai sifat genetik yang stabil
h. Dapat diawetkan dan disimpan untuk jangka waktu yang lama.
Seleksi mutan dapat dilakukan dengan beberapa cara :
1) Seleksi secara acak, yaitu seleksi pada kondisi pertumbuhan mikroa dan komposisi medium menyerupai fermentasi yang dilakukan dalam skala industri. Kelemahan dari seleksi ini adalah biayanya yang mahal.
a. Isolasi secara selektif, seleksi pada kondisi pertumbuhan mikroa dan komposisi medium yang dapat merangsang pertumbuhan mutan yang ingin diseleksi.
b. Isolasi mutan auksotrop, mutan auksotrop adalh mutan yang sama sekali tidak dapat menghasilkan metabolit, atau menghasilkan dalam jumlah yang sangat sedikit karena dibutuhkan untuk pertumbuhan mikroba dan untuk mensintesis produk tertentu.
c. Isolasi berdasarkan penampakan koloni, mutan dapat diisolasi dari media yang diberi reagen tertentu.

2) Rekombinasi
Adalah penggaungan gen dari satu atau lebih sel ke sel target. Sel yang disisipi atau dimasuki gen dari luar atau dari sel lain disebut biakan rekombinan.
1. Rekombinasi Pada Bakteri, rekombinasi (penggabungan) DNA pada bakteri dapat terjadi melalui
a. Transformasi pemutusan fragmen kromosom maupun plasmid dari sel donor, dan bergabung dengan fragmen kromosom maupun plasmid dari sel penerima/resipien.
b. Transduksi : pernindahan DNA dari satu bakteri ke bakteri lain melalui pertolongan virus yang menginfeksi balaeri (bakteriofage), dan DNAnya terintegrasi dengan kromosom bakteri (disebut sebagai fage temperate).
c. Konyugasi : Pernindahan episoma (molekul DNA mirip plasmid) melalui faktor F (fertilitas) dari sel donor (F+) ke sel penerima (F-).
2. Rekombinasi Pada Kapang, rekombinasi genetik pada kapang terjadi melalui
• Siklus seksual : penggabungan nukleus (kariogami) terjadi setelah penggabungan hifa membetuk heterokariotik, kemudian pada prows meiosis selanjutnya terjadi rekombinasi.
• Siklus paraseksual : terjadi pada kapang yang tidak mempunyai siklus seksual. Penggabungan hifa akan menghasilkan heterokartion; kadang kadang terjadi interaksi antar nukelus membentuk satu nukleus diploid, lalu terjadi penyilangan mitotic antara kromatid pada kromosom homolog. sehingga terjadilah rekombinasi genztik.
3. Rekombinasi Penggabungan Protoplasma bertujuan untuk :
- Rekombinasi interspesifik antara galur seksual dan paraseksual
- hibridisasi interspesifik untuk memperoleh mikroba baru
- tranfeksi atau transformasi protoplas dalam percobaan cloning DNA.
Dengan bantuan senyawa propilenglikol (PEG) protoplas akan membentuk agregat, diikuti penggabungan dan pertukaran DNA antar protoplas. metode penggabungan yang lain adalah dengan induksi medan listrik.

Regulasi
Regulasi adalah sistern pengendalian suatu proses, seperti pada metabolisme (anabolisme maupun katabolisme). Regulasi sangat erat kaitannya dengan aktivitas, sintesis dan pernecahan enzim yang terlibat dalam metabolisme sel Induksi adalah peningkatan laju sintesis enzim. karena ada senyawa tertentu yang menginduksi (memicu) gen yang bertanggung jawab untuk sintesis enzim. Sedangkan represi adalah penghambatan sintesis enzim karena senyawa tertentti merepresi (menghambat) gen yang bertanggung jawab untuk sintesis enzim.
Terdapat dua macam regulasi
Model Induksi, pada model induksi, gen O dapat diikat oleh protein repressor bebas yang dihasilkan gen R, sehingga tidak terjadisintesis enzim. Jika ada senyawa penginduksi atau induser yang dapat berikatan dengan repressor, maka gen O bebas dan tidak terjadi penghambatan sintesis enzim oleh gen S. Macam-macam induser diantaranya adalah :
• Substrat yang dapat dimetabolisir (diproses seluler) oleh enzim terinduksi
• Analog substrat, yaitu senyawa yang strukturnya mirip substrat tapi tidak dapat dimetabolisir oleh enzim
• produk metabolism (metabolite), seperti maltodekstrin (menginduksi amylase), asam lemak (menginduksi lipase), asam uruconat (menginduksi histidase), dan asam galakturonat (menginduksi polygalaturonase)
• Koenzim seperti tiamin (menginduksi dekarboksilase)
Model Represi, pada model ini, gen R menghasilkan protein aporepresor yang dapat berikatan dengan gen 0 dan menghambat sintesis enziln. Dalarn keadaan bebas aporepresor ini tidak dapat berikatan dengan gen 0. Enzim yang sintesisnya bisa mengalami represi disebut dengan enzim repressible. Bila terjadi mutasi pada Gen R atau 0 sehingga salah satu gen tidak berfungsi, rnaka produksi enzim tidak lagi dipengaruhi oleh lingkun-an sel. Mutan tersebut disebut sebagai rnutan konstitutif dan enzimnva disebut enzim konstitutif.

Kinetika
Fermentasi pada medium cair dapat dilakukan melalui 3 cara : yaitu fermentasi sistem tertutup (batch process), fermentasi kontinyu dan fernientasi sistem tertutup dengan penambahan substrat pada selang waktu dan volume tertentu (feed batch process).
Kinetika fermentasi adalah sistem pertumbuhan dan pembentukan produk oleh mikroba. Peningkatan massa dan jumlah set pada pertumbuhan dapat terjadi apabila kondisi fisik dan kimiawi seperti pH, suhu, nutrisi memenuhi persyaratan vang dibutuhkan.

Fase pertumbuhan mikroba
o Fase Lag, merupakan fase adaptasi sel, berlangsung segera setelah inokulasi pada , media/nutrisi baru. Fase lag ini bisa pndek atau sangat lambat tergantung mikro maupun makro molekul dari sel. Pada, fase ini massa sel dapat berubah tanpa diserta, perubahan jumlah sel.
o Fase Eksponensial. Fase ini merupakan periode perturnbuhan seimbang, dengan laju pertumbuhan spesifik konstan. Dalam seluruh proses fermentasi, komposisi kimia broth akan mengalami perubahan karena nutrien akan dikonsurnsi dan zat-zat metabolit akan diproduksi. Laju pertumbuhan tidak dipengaruhi oleh konsenstrasi tertentu. Selama, fase log komposisi makromolekul set tetap konstan.
o Fase Stasioner, fase ini ditandai bila sernua set berhenti melnbelah diri, atau bila laju pertumbuhan set baru seimbang dengan laju kernatian. Proses metabolisme mungkin masih berlangsung, disertai penimbunan produk dalam set atau dalarn broth. Massa set total mungkin konstan , tetapi banyal:nya set hidup cenderung menurun, atau jika kematnpuan hidup set menurun akan terjadi lisis set dan massa set akan menurun. Pada akhir stasioner kemungkinan terjadi pertumbuhan kriptik pada periode sekunder akibat
Cita rasa
Mengawetkan
Nilai cerna lebih tinggi
Mudah dicerna

dx = x
dt

dN = x
dt

n = laju pertumbuhan spesifik (jam-1)
Xo = konsentrasi bio masa awal (g/l)
Xt = konsentrasi bio masa pada waktu t (g/l)
X = konsentrasi bio masa (g/l)
N = konsentrasi jmlh sel (g/l)
t = waktu lakubasi (jam)
 = laju pertumbuhan spesifik masa (Jam-1).
Bentuk hubungan anatara laju pertumbuhan dan konsetrasi substrat
 =  mak S .
Ks+ S
 = laju pertumbuhan spesifik
 = spesisifk maksimum
S = konsentrasi substrat
Ks = Konstanta (apabila konsentrasi pertumbuhan 0.5  mak “nilai)

Bioreaktor /Fermentor
Yaitu alat yang dirancang untuk dapat memberikan kondisi terbaik bagi pertumbuhan mikroba karena dapat mengontrol fermentor-fermentor lingkungan fisik dan kimia selama fermentasi berlangsung sehingga diperoleh produk yang diinginkan tanpa ada kontaminasi.
Beberapa informasi yang diperlukan jika akan menggunakan bioreactor
1) System fermentasi
2) Tipe bioreactor dan cara operasinya
3) Sifat-sifat mikroba yang digunakan
4) Lakukan penelitian pendahuluan
Aturan dasar
1) Tidak boleh ada hubungan anatara yang steril dengn non steril
2) Hindari penguhubung berbentuk golongan
3) Semua bagian harus dapat disterilisasi secara sendiri
4) Hindari ruang perangkab berbentuk leher
5) Bisa disterilisasi dengan uap.

Penggandaan Skala Fermentasi
Beberapa factor yang mempengaruhi skala fermentasi
1) Konstanta waktu pencampuran
2) Bilangan Rynolds  bilangan nirmatra  tanpa satuan
3) Factor momentum  factor tumbukkan
4) Efek pengadukan
Berpengaruh pula :
Pengadukan
Pibrasi
Gesekan

3 skala penggandaan
1) Skala laboratorium  dari tabung reaksi 5 ml-500mL
2) Pilot plan  saat kondisi operasi optimum diterapkan (5L,40 l, 200 Lier)
3) Skala industry  pelaksanaan proses dengan mempertimbangkan perhitungan ekonomi industry fermentasi tsb. (5000 liter-100.000 Liter)