BAB II

5/20/2018 BAB II

1/21

3

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Pengertian Fermentasi

Fermentasi merupakan suatu cara untuk mengubah substrat menjadi produk

tertentu yang dikehendaki dengan menggunakan bantuan mikroba. Produk-produk

tersebut biasanya dimanfatkan sebagai minuman atau makanan. Fermentasi suatu cara

telah dikenal dan digunakan sejak lama sejak jaman kuno. Sebagai suatu proses

fermentasi memerlukan:

Mikroba sebagai inokulum

Tempat (wadah) untuk menjamin proses fermentasi berlangsung

dengan optimal.

Substrat sebagai tempat tumbuh (medium) dan sumber nutrisi bagi

mikroba.

Gambar 1: Skema Proses Fermentasi

Sumber :http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/tmp/BioTekFermentasi05.pdf

Fermentasi adalah proses produksi energi dalamsel dalam keadaananaerobik

(tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi

anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan

fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor

elektron eksternal.

Gula adalah bahan yang umum dalam fermentasi. Beberapa contoh hasil fermentasi

adalahetanol,asam laktat,danhidrogen.Akan tetapi beberapa komponen lain dapat

juga dihasilkan dari fermentasi sepertiasam butirat danaseton.Ragi dikenal sebagai

RAW MEAL

FERMENTOR

MIKROBA

PRODUK

5/20/2018 BAB II

2/21

4

bahan yang umum digunakan dalam fermentasi untuk menghasilkanetanol dalambir,

anggur dan minuman beralkohol lainnya. Respirasi anaerobik dalam otot mamalia

selama kerja yang keras (yang tidak memiliki akseptor elektron eksternal), dapat

dikategorikan sebagai bentuk fermentasi yang mengasilkan asam laktat sebagai

produk sampingannya. Akumulasi asam laktat inilah yang berperan dalam

menyebabkan rasa kelelahan pada otot.

2.2 Jenis-Jenis Fermentasi

Fermentasi ada tiga, yaitu :

1.

Fermentasi alkohol

Fermentasi alkohol merupakan suatu reaksi pengubahan glukosa menjadi

etanol (etil alkohol) dan karbondioksida. Organisme yang berperan yaitu

Saccharomyces cerevisiae (ragi) untuk pembuatan tape, roti atau minuman

keras.

Reaksi Kimia:

C6H12O6> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 H2O + 2 ATP

2.

Fermentasi asam laktatFermentasi asam laktat adalah respirasi yang terjadi pada sel hewan atau

manusia, ketika kebutuhan oksigen tidak tercukupi akibat bekerja terlalu

berat. Di dalam sel otot asam laktat dapat menyebabkan gejala kram dan

kelelahan. Laktat yang terakumulasi sebagai produk limbah dapat

menyebabkan otot letih dan nyeri, namun secara perlahan diangkut oleh darah

ke hati untuk diubah kembali menjadi piruvat.

Reaksi:

C6H12O6 > 2 Asam Piruvat> 2 Asam laktat + 2 ATP

3. Fermentasi asam cuka

Merupakan suatu contoh fermentasi yang berlangsung dalam keadaan aerob.

fermentasi ini dilakukan oleh bakteri asam cuka (acetobacter aceti) dengan

5/20/2018 BAB II

3/21

5

substrat etanol. Energi yang dihasilkan 5 kali lebih besar dari energi yang

dihasilkan oleh fermentasi alkohol secara anaerob.

Reaksi:

C6H12O6 2C2H5OH 2CH3COOH + H2O + 116 kal (glukosa)

Fermentasi dapat dilakukan menggunakan kultur murni ataupun alami serta

dengan kultur tunggal ataupun kultur campuran. Fermentasi menggunakan kultur

alami umumnya dilakukan pada proses fermentasi tradisional yang memanfaatkan

mikroorganisme yang ada di lingkungan. Salah satu contoh produk pangan yang

dihasilkan dengan fermentasi alami adalah gatot dan growol yang dibuat dari

singkong. Tape merupakan produk fermentasi tradisional yang diinokulasi dengan

kultur campuran dengan jumlah dan jenis yang tidak diketahui sehingga hasilnya

sering tidak stabil. Ragi tape yang bagus harus dikembangkan dari kultur murni.

Kultur murni adalah mikroorganisme yang akan digunakan dalam fermentasi

dengan sifat-dan karaktersitik yang diketahui dengan pasti sehingga produk yang

dihasilkan memiliki stabilitas kualitas yang jelas. Dalam proses fermentasi kultur

murni dapat digunakan secara tunggal ataupun secara campuran. Contoh penggunaan

kultur murni tunggal adalahLactobacillus caseipada fermentasi susu sedang contohcampuran kultur murni adalah pada fermentasi kecap, yang menggunakan Aspergillus

oryzae pada saat fermentasi kapang dan saat fermentasi garam digunakan bakteri

Pediococcus sp dan khamir Saccharomyces rouxii.

2.3 Sejarah Fermentasi

Fermentasi berasal dari bahasa latin ferfere yang artinya mendidihkan, yaitu

berdasarkan ilmu kimia terbentuknya gas gas dari suatu cairan kimia yang

pengertiannya berbeda dengan air mendidih. Gas yang terbentuk tersebut diantaranya

karbondioksida (CO2).

Penemuan cara fermentasi ini diawali dengan pembuatan bir sekitar 6000

tahun sebelum masehi. Selain itu pembuatan roti dengan bantuan khamir atau ragi

sekira 4000 tahun sebelum masehi (SM). Pembuatan produk fermentasi kecap dan

5/20/2018 BAB II

4/21

6

tauco di Cina sejak 722 SM. Kira kira abad ke -17 mulai berkembang fermentasi

anggur dengan menggunakan bakteri Acetobacter menghasilkan asam asetat (asam

cuka).

Kemudian di tahun 1817, mulai diperoduksi enzim dari tumbuhan dan

jaringan hewan yang dapat memecah zat pati menjadi gula maltose (diastase). Lalu

tahun 1860, di temukan suatu enzim dari khamir dapat memecahkan sukrosa menjad

glukosa dan fruktosa. Akhirnya banyak penelitian yang dilakukan para ahli dan

melahirkan istilah baru dari fermentasi yaitu reaksi oksidasi reduksi, di mana zat

yang (pemberian electron) maupun zat yang direduksi (penerima electron) adalah zat

organic dengan melibatkan mikroorganisme.

Penjelasan yang bersifat ilmiah, pertama kali diajukan oleh Ahli Kimia

Perancis, Louis Pasteur adalah seorang zymologist pertama ketika di tahun 1857

mengkaitkan ragi dengan fermentasi. Ia mendefinisikan fermentasi sebagai "respirasi

(pernapasan) tanpa udara".

Pasteur melakukan penelitian secara hati-hati dan menyimpulkan, "Saya

berpendapat bahwa fermentasi alkohol tidak terjadi tanpa adanya organisasi,

pertumbuhan dan multiplikasi sel-sel secara simultan..... Jika ditanya, bagaimanaproses kimia hingga mengakibatkan dekomposisi dari gula tersebut... Saya benar-

benar tidak tahu".

Penjelasan Pasteur tersebut disempurnakan oleh Ahli kimia Jerman, Eduard

Buchner, pemenangNobel Kimia tahun 1907,menunjukkan bahwa fermentasi dapat

berlangsung dalam larutan gula dengan menggunakan cairan yang diekstraksi dari sel

sel khamir yang telah mati. Kemudian diketahui bahwa cairan tersebut

menggunakan suatu substansi aktif yang mampu memecahkan molekul gula dan

diberi ferment, enzim atau zymase. Teori yang menerangkan aktifitas enzim

mikrobial dalam Fermentasi disusun setelah penemuan energi yang digunakan oleh

selsel khamir dalam keadaan tanpa oksigen.

Selanjutnya penelitian yang dilakukan ilmuan Carlsberg (sebuah perusahaan

bir)diDenmark semakin meningkatkan pengetahuan tentang ragi dan brewing(cara

5/20/2018 BAB II

5/21

7

pembuatan bir). Ilmuan Carlsberg tersebut dianggap sebagai pendorong dari

berkembangnyabiologi molekular.

2.4 Sifat Fermentasi

Fermentasi terbagi dua tipe berdasarkan tipe kebutuhan akan oksigen yaitu tipe

aerobic dan anaerobik.

2.4.1 Tipe Fermentasi Aerobik

Adalah fermentasi yang pada prosesnya memerlukan oksigen. Semua organisme

untuk hidupnya memerlukan sumber energi yang diperoleh dari hasil metabolisme

bahan pangan, dimana organism itu berada.

Mikroorganisme adalah organisme yang memerlukan energi tersebut. Bahan

energi yang paling banyak digunakan mikroorganisme untuk tumbuh adalah glukosa.

Dengan adanya oksigen maka mikroorganisme dapat mencerna glukosa

menghasilkan air , karbondioksida, dan sejumlah besar energi.

2.4.2 Tipe Fermentasi AnaerobikAdalah fermentasi yang pada prosesnya tidak memerlukan oksigen. Beberapa

mikroorganisme dapat mencerna bahan energinya tanpa adanya oksigen jadi hanya

sebagian bahan energi itu dipecah, yang dihasilkan adalah sebagian dari energi,

karbondioksida dan air , termasuk sejumlah asam laktat , asetat, etanol, asam

volatile,alcohol, dan ester.

Pada tipetipe tersebut harus diperhatikan perubahan secara mikrobiologi dalam

makanan dimana mikroba bersifat fermentatatif dapat mengubah karbohidrat dan

turunannya menjadi alcohol, asam, dan karbondioksida, disusul dengan mikroba

proteolitik dapat memecah protein dan komponen nitriogen kimia, sehingga

menghasilkan bau busuk yang tidak diinginkan. Sedangkan mikroba lipolotik akan

menghidrolisa lemak , fosfolipid, dan turunannya dengan menghasilakan bau tengik.

Bila alcohol dan asam yang dihasilkan mikroba cukup tinggi, maka pertumbuhan

5/20/2018 BAB II

6/21

8

mikroba proteolitik dan lipolitik dapat dihambat . adi pada prinsipnya fermentasi

adalah menumbuhkan pertumbuhan mikroba pembentukan alcohol dan asam, dan

menekan pertumbuhan mikroba proteolitik dan lipolitik.

Pada fermentasi anaerob, zat-zat organik dikatabolisme tanpa kehadiran oksigen

yang berarti tidak adanya akseptor elektron eksternal melainkan melalui

keseimbangan reaksi oksidasi-reduksi internal. Produk dihasilkan selama proses

penerimaan elektron yang dilepaskan saat pemecahan zar-zat organik. Oleh

karenanya zat-zat organik tersebut berperan sebagai akseptor dan donor elektron.

Pada fermentasi, substrat hanya dioksidasi sebagian dan oleh karena itu hanya sedikit

energi yang bisa dihasilkan. Glukosa sebagai substrat akan melepaskan elektron saat

dirubah menjadi piruvat, namun elektron tersebut kemudian akan diambil piruvat

untuk menjadi etanol Organisme anaerobik fermentatif biasanya menggunakan jalur

fermentasi asam laktat:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 fosfat 2 asam laktat + 2 ATP

Energi yang dilepaskan pada persamaan ini sekitar 150 kJ per mol, yang disimpan

dalam regenerasi dua ATP dari ADP per glukosa. Ini hanya 5% energi per molekul

gula daripada yang dapat dihasilkan oleh reaksi aerobik. Tumbuhan dan jamur(contohnya ragi) biasanya melakukan fermentasi alkohol (etanol) ketika oksigen

terbatas melalui reaksi berikut:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 fosfat 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP

Energi yang dilepaskan sekitar 180 kJ per mol, yang disimpan dalam regenerasi

dua ATP dari ADP per glukosa.

2.4.3 Sumber Energi Dalam Kondisi Anaerobik

Fermentasi diperkirakan menjadi cara untuk menghasilkan energi pada

organisme purba sebelum oksigen berada pada konsentrasi tinggi di atmosfer seperti

saat ini, sehingga fermentasi merupakan bentuk purba dari produksi energi sel.

Produk fermentasi mengandung energi kimia yang tidak teroksidasi penuh

tetapi tidak dapat mengalami metabolisme lebih jauh tanpa oksigen atau akseptor

5/20/2018 BAB II

7/21

9

elektron lainnya (yang lebih highly-oxidized) sehingga cenderung dianggap produk

sampah (buangan). Konsekwensinya adalah bahwa produksi ATP dari fermentasi

menjadi kurang effisien dibandingkan oxidative phosphorylation, di mana pirufat

teroksidasi penuh menjadi karbon dioksida. Fermentasi menghasilkan dua molekul

ATP per molekul glukosa bila dibandingkan dengan 36 ATP yang dihasilkan

respirasi aerobik.

"Glikolisis aerobik" adalah metode yang dilakukan oleh sel otot untuk

memproduksi energi intensitas rendah selama periode di mana oksigen berlimpah.

Pada keadaan rendah oksigen, makhluk bertulang belakang (vertebrata) menggunakan

"glikolisis anaerobik" yang lebih cepat tetapi kurang efisisen untuk menghasilkan

ATP. Kecepatan menghasilkan ATP-nya 100 kali lebih cepat daripada oxidative

phosphorylation. Walaupun fermentasi sangat membantu dalam waktu pendek dan

intensitas tinggi untuk bekerja, ia tidak dapat bertahan dalam jangka waktu lama pada

organisme aerobik yang kompleks. Sebagai contoh, pada manusia, fermentasi asam

laktat hanya mampu menyediakan energi selama 30 detik hingga 2 menit.

Tahap akhir dari fermentasi adalah konversi piruvat ke produk fermentasi

akhir. Tahap ini tidak menghasilkan energi tetapi sangat penting bagi sel anaerobikkarena tahap ini meregenerasi nicotinamide adenine dinucleotide (NAD

+), yang

diperlukan untuk glikolisis. Ia diperlukan untuk fungsi sel normal karena glikolisis

merupakan satu-satunya sumber ATP dalam kondisi anaerobik.

Gambar 2. Reaksi Asam Laktat

Sumber:http://3.bp.blogspot.com/sZHtiB_6wvU/UFAyLQL1NnI/AAAAAAAAAIo/FpdtGN

2f_4o/s320/Slide2.JPG

5/20/2018 BAB II

8/21

10

2.5 Prinsip Kultivasi Mikroba Dalam Sistem Cair

Mikroba berada dalam cairan yang mengandung nutrien sebagai substrat

untuk tumbuh dan berkembang bercampur dengan produk-produk yang dihasilkan

termasuk limbah. Yang dimaksud dengan mikroba secara umum, merupakan

organisme yang sangat sederhana. Umumnya bakteri, protozoa, dan beberapa alga

serta fungi mikroskopik merupakan mikroba bersel tunggal.

Gambar 3. Saccharomyces sp,salah satu mikroba yang berperan dalam fermentasi

Sumber :https://reader003.{domain}/reader003/html5/0226/5a93b88d28074/5a93b89

Nutrien dan oksigen yang diperlukan untuk pertumbuhan optimal mikroba

harus tercampur merata (homogen) pada semua bagian fermenter. Untuk

mendapatkan sistem fermentasi yang optimum, maka fermenter harus memenuhi

syarat sebagai berikut:

1. Terbebas dari kontaminan

2. Volume kultur relatif konstan (tidak bocor atau menguap)

3. Kadar oksigen terlarut harus memenuhi standar.

4. Kondisi lingkungan seperti: suhu, pH harus terkontrol. Stirred tank reactor

system model yang banyak dipakai.

1) Sterilisasi

Bahan atau peralatan yang dipergunakan kultivasi mikrobiologi harus dalam

keadaan steril artinya bahan atau peralatan tersebut bebas dari mikroba. Baik yang

akan mengganggu media atau menganggu kehidupan dan proses yang sedang

dikerjakan. Sterilisasi yang umum dilakukan adalah :

5/20/2018 BAB II

9/21

11

a) Sterilisasi secara fisik

Dengan menggunakan udara panas atau uap air panas dengan tekanan

tinggi. Misalnya dengan penggunaan autoklap dengan temperatur 121C

dengan tekanan 15 lbs. Waktu yang diperlukan tergantung banyak

sedikitnya bahan atau medium yang disterilkan, umumnya berkisar antara

15 sampai 20 menit.

b) Sterilisasi secara kimia

Senyawa kimia yang banyak digunakan adalah larutan CuSO4, AgNO3,

HgCI2, dan ZnO serta alkohol dengan kadar antara 5075% karena cepat

menyebabkan koagulasi protein mikroba. Larutan garam seperti NaCI

(9%), KCI (11%) dan KNO3 (10%) dapat digunakan karena tekanan

osmotiknya yaitu dehidrasi protein pada substrat. Sedang asam kuat dan

basa kuat dapat digunakan karena dapat menghidrolisis isi sel mikroba.

Larutan KmnO4 (10%) dan HCI (1,1%) dapat mengoksidasi substrat.

Sedang larutan CuSO4 digunakan untuk algisida. Khlor dan senyawa

khlor digunakan sebagai desinfektan terutama pada tempat penyimpanan

air. Juga larutan formalin atau formaldehida dengan kadar antara 4 -20%.

2) Nutrisi yang diperlukan mikroba

Mikroba memerlukan nutrien sebagai sumber materi dan energy untuk menyusun

komponen sel seperti genom, membrane plasma dan dinding sel. Bentuk nutrient

yang diperlukan bermacam-macam, tergantung jenis mikrobanya, misalnya

kebutuhan karbon untuk jasad fotoautotrof dalam bentuk CO2, sedangkan bagi jasad

kemoorganotrof dalam bentuk bahan organic. Dengan mengetahuia keperluan nutrien

mikroba para ilmuwan dapat melakukan penelitian untuk menentukan peranan

mikroba di alam dan kegunaannya dalam kehidupan manusia.

5/20/2018 BAB II

10/21

12

3) Kondisi fisik yang diperlukan untuk pertumbuhan

Selain menyediakan nutrisi yang sesuai untuk kultivasi bakteri, juga perlu

disediakan kondisi fisik yang memungkinkan pertumbuhan optimum. Mikroba tidak

hanya bervariasi dalam persyaratan nutrisinya, tetapi menunjukan respon yang

berbeda terhadap kondisi fisik di lingkungannya. Untuk berhasilnya kultivasi mikroba

diperlukan suatu kombinasi nutrisi serta lingkungan fisik yang sesuai. Ada 5

parameter lingkungan yang utama yang perlu diperhatikan dalam menumbuhkan

mikroba yaitu temperature, kelembaban (RH), kadar oksigen, pH dan osmosis.

Temperatur

Karena semua proses pertumbuhan bergantung pada reaksi kimiawi dan

karena laju reaksi-reaksi ini dipengaruhi oleh temperatur, maka pola

pertumbuhan mikroba sangat dipengaruhi oleh temperatur. Temperature

juga me pengaruhi laju pertumbuhan dan penambahan jumlah sel.

Keragaman suhu dapat juga mengubah proses-proses metabolic serta

morfologi sel.

Setiap mikroba tumbuh pada suatu kisaran suhu tertentu. Atas dasar ini

maka mikroba ada yang bersifat :- Psikrofilik yang tumbuh pada 0

0C dampai 20

0C,

- Mesofilik yang tumbuh pada 200C sampai 45

0C dan

- Termofilik yang tumbuh pada temperature 450sampai 80

0C.

Temperatur inkubasi yang memungkinkan pertumbuhan tercepat selama

periode waktu yang singkat (12 sampai 24 jam) dikenal sebagai

temperatur pertumbuhan optimum.

Kondisi atmosfer seperti kadar oksigen, RH dan tekanan udara

Mikroba memperlihatkan keragaman yang luas dalam hal respons terhadap

oksigen bebas dan atas dasar ini maka mikroba dibagi menjadi empat yaitu

aerobik (memerlukan oksigen), anaerobik (tumbuh tanpa oksigen

molekuler), anaerobic fakultatif (tumbuh pada keadaan aerobic dan

5/20/2018 BAB II

11/21

13

anaerobik), dan mikroaerofilik (tumbuh bila ada sedikit oksigen

atmosferik).

Beberapa mikroba bersifat anaerobik obligat, bila terkena oksigen akan

terbunuh, oleh karena itu untuk menumbuhkan mikroba anaerobic

diperlukan teknik khusus agar tercapai keadaan anaerob. Keperluan

penumbuhan jasad anaerob obligat dapat dipenuhi dengan menggunakan

alat yang disebut anaerobic jar.

Konsentrasi ion hydrogen (pH)

pH optimum bagi kebanyakan mikroba terletak antara 6.5 sampai 7,5.

Bagi kebanyakan mikroba pH minimum dan maksimum antara 4 sampai 9.

Pertumbuhan mikroba sangat dipengaruhi oleh pH karena nilai pH sangat

menentukan aktivitas enzim. Bila mikoba di kultivasi di dalam suatu

medium yang mula-mula pH-nya 7 maka kemungkinan pH ini akan

berubah. Pergeseran pH ini dapat sedemikian besar sehingga menghambat

pertumbuhan.

Pergeseran pH dapat dicegah dengan menggunakan larutan penyangga

atau bufer dalam medium. Bufer merupakan senyawa yang dapat menahanperubahan pH misalnya KH2PO4 dan K2HPO4. Beberapa bahan nutrisi

medium seperti pepton mempunyai kapasitas bufer. Perlu atau tidaknya

suatu medium diberi bufer tergantung kepada maksud penggunaannya dan

dibatasi oleh kapasitas bufer yang dimiliki senyawa-senyawa yang

digunakan.

Tekanan osmosis

Tekanan osmosis adalah besarnya tekanan minimum yang diperlukan

untuk mencegah aliran air yang menyebrangi membran di dalam larutan.

Contohnya : jika larutan 10 % sukrosa di dalam kantong membran dialysis

diletakkan dalam air dalam gelas maka molekul air yang ada dalam gelas

akan mengalir ke dalam kantong analisis. Besarnya tekanan yang

5/20/2018 BAB II

12/21

14

diperlukan untuk mencegah aliran molekul air dalam gelas ke dalam

kantong dialisis merupakan nilai tekanan osmosis larutan sukrosa tersebut.

Berdasarkan tekanan osmosanya maka larutan tempat pertumbuhan

mikroba dapat digolongkan atas larutan hipotonis, isotonis dan larutan

hipertonois. Mikroba biasanya hidup di lingkungan yang bersifat agak

hipotonis sehingga air akan mengalir dari lingkungannya ke dalam sel

sehingga sel menjadi mengembang kaku. Adanya dinding sel dapat

mencegah pecahnya sel mikroba.

4)

Media pertumbuhan

Untuk menumbuhkan dan mengembangbiakkan mikroba, diperlukan suatu

substrat yang disebut media. Keragaman yang luas dalam hal tipe nutrisi di antara

mikroba diimbangi oleh tersedianya berbagai media yang banyak macamnya untuk

kultivasi. Agar mikroba dapat tumbuh dan berkembang dengan baik di dalam media,

diperlukan persyaratan tertentu,yaitu:

a. Media mengandung semua unsur hara yang diperlukan untuk pertumbuhan

dan perkembangbiakkan mikroba.b. Media mempunyai tekanan osmosa , dan PH yang sesuai untuk mikroba.

c. Media harus dalam keadaan steril

Bentuk, susunan, dan sifat media

Bentuk media ditentukan oleh ada tidak adanya penambahan zat pemadat seperti

agar, gelatin. Berdasarkan bentuk dikenal tiga jenis media yaitu media padat, cair dan

semi padat.

Media cair yaitu media berbentuk cair yang tidak mengandung agar, misalnya

nutrien broth. Umumnya media cair digunakan untuk menambah biomassa sel . Kalau

ke dalam media tidak ditambahkan zat pemadat. Media cair dipergunakan untuk

penumbuhan bakteri, ragi dan mikroalga.

5/20/2018 BAB II

13/21

15

Biasanya pada teknologi fermentasi, medium atau substrat digunakan bahan dasar

yang mengandung karbon. Oleh karena itu, kebanyakan berasal dari tumbuhan dan

sedikit dari produk hewani. Sebagai contoh; biji-bijian (grain), susu (milk). Natural

raw material berasal dari hasil pertanian dan hutan.Karbohidrat; gula, pati (tepung),

selulosa, hemiselulosa, dan lignin.

Seperti yang telah dijelaskan di atas, secara umum mikroba dapat ditumbuhkan

dengan menggunakan medium padat atau medium cair. Banyak produk pangan yang

dibuat dengan menggunakan mikroba biasanya dipergunakan untuk tempe, tape,

oncom dan berbagai jamur untuk konsumsi. Sebaliknya, banyak pula produk

mikrobia yang hanya dapat dihasilkan dan dipanen dengan cara menumbuhkan pada

medium cair, misal antibiotik, etanol, asam-asam amino. Kultivasi mikroba dapat

dilakukan dengan dua macam teknik meliputi kultur batch (kultur tertutup) dan kultur

kontinyu (sinambung).

Sistem fermenter tertutup dan terbuka

1. Tertutup, semua nutrien ditambahkan pada awal fermentasi dan pada akhir

fermenetasi dikeluarkan bersama produknya. Sebagai contoh: pembuatan bir(brewing), antibiotik, dan enzym.

2. Terbuka, secara kontinyu (terus menerus) terjadi pemasukan medium kultur

dan pengeluaran medium bersama produk. Dalam kultivasi mikroba

menggunakan teknik kultur kontinyu/sinambung, mikroba ditumbuhkan

secara terus menerus pada fase paling optimum untuk fase pertumbuhan yaitu

fase eksponensial dimana sel membelah diri dengan laju yang konstan, massa

menjadi dua kali lipat mengikuti kurva logaritmik. Hal ini dilakukan dengan

memberi nutrisi secara terus menerus sehingga mikroba tidak pernah

kekurangan nutrisi. Sebagai contoh: SCP (petrokimia).

5/20/2018 BAB II

14/21

16

Tipe Fermenter ada 2: septis dan aseptis.

Fermenter berdasarkan tipenya dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu:

1. Septis untuk pembuatan pengembang roti, bir (brewing).

2. Aseptis untuk memproduksifine porduct seperti: antibiotik, asam amino,

3. polisakarida dansingle cell protein (SCP).

Skala fermenter

Fermenter berdasarkan skala produksinya dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu:

1. Skala kecil (small scale); untuk industri rumah tangga (home industri).

2.

Skala besar (large scale); untuk industri skala besar (petrokimia industri).

3. Masalah utama fermenter untuk produksi skala besar adalah pemerataan

medium.

4. Kultur dalam fermenter harus homogen artinya medium kultur harus

tercampur merata.

2.6Desain Bioreactor

2.6.1

Pengertian bioreactorBioreaktor atau dikenal juga dengan nama fermentor adalah sebuahperalatan

atau sistem yang mampu menyediakan sebuah lingkungan biologis yang dapat

menunjang terjadinya reaksi biokimia dari bahan mentah menjadi bahan yang

dikehendaki. Reaksibiokimia yang terjadi di dalam bioreaktor melibatkan organisme

atau komponen biokimia aktif (enzim) yang berasal dari organisme tertentu, baik

secara aerobik maupun anaerobik. Sementara itu, agensia biologis yang digunakan

dapat berada dalam keadaan tersuspensi atau terimobilisasi. Contoh reaktor yang

menggunakan agensia terimobilisasi adalah bioreaktor dengan unggun atau bioreaktor

membran.

5/20/2018 BAB II

15/21

17

2.6.2Instrument Bioreactor

Komponen utama bioreaktor terdiri atas tangki, sparger, impeller, saringan

halus ataubaffle dansensor untuk mengontrol parameter.

a) Tanki berfungsi untuk menampung campuran substrat, sel mikroorganisme,

serta produk. Volume tanki skala laboratorium berkisar antara 130 L,

sedangkan untuk skala industri dapat mencapai lebih dari 1.000 L.

b) Sparger terletak di bagian bawah bioreaktor dan berperan untuk memompa

udara,dan mencegah pembentukangelembung oksigen.

c) Impellerberperan dalamagitasi dengan mengaduk campuran substrat dan sel.

Impeller digerakkan olehrotor.

d) Baffle juga berperan untuk mencegah terjadinya efek pusaran air akibat

agitasi yang dapat mengganggu agitasi yang seharusnya.

e) Sensor berperan untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor. Kontrol

fisika meliputi sensor suhu, tekanan, agitasi, foam, dan kecepatan aliran.

Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensor pH,kadar oksigen, dan perubahan

komposisimedium.

Bioreaktor biasanya terbuat dari bahan stainless steel karena bahan tersebuttidak bereaksi dengan bahan-bahan yang berada dalam bioreaktor sehingga tidak

menggangu proses biokimia yang terjadi. Selain itu, bahan tersebut juga anti karat

dan tahan panas. Bioreaktor harus dapat menciptakan lingkungan yangoptimumbagi

mikroorganisme ataupun reaksi yang diinginkan maka diperlukan pengontrolan.

Parameter yang biasa dikontrol pada bioreaktor adalah suhu,pH, substrat (sumber

karbon dannitrogen),aerasi,danagitasi.

5/20/2018 BAB II

16/21

18

Gambar 4. BioreaktorSumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Bioreactor

Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaanteknik yang cukup kompleks.

Pada keadaan optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan aktivitasnya

dengan sangat baik. Keadaan yang memengaruhi kinerja agensia biologis terutama

temperatur dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme,

kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan mineral lainnya perlu

diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan

tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor

tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar

kinerja agensia biologis tetap optimum.

Untuk bioreaktor skala laboratorium yang berukuran 1,5-2,5 L umumnya

terbuat dari bahan kaca atau borosilikat, namun untuk skala industri, umunya

digunakan bahan baja tahan karat (stainless steel) yang tahan karat. Hal ini

dimaksudkan untuk mengurangi kontaminasi senyawa metal pada saat fermentasi

terjadi di dalamnya. Bahan baja yang mengandung < 4% kromium disebut juga baja

ringan, sedangkan bila kadar kromium di dalamnya >4% maka disebutstainless steel.

Bioreaktor yang umum digunakan terbuat dari bahan baja 316 yang mengandung

18%kromium,2-2,5%molibdenum,dan 10%nikel.

5/20/2018 BAB II

17/21

19

Gambar 5. Bioreaktor Skala laboratoriumSumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Bioreactor

2.7Pengendalian Proses bioreactor / Bioproses

Bioproses merupakan reaksi biokimiawi kompleks serta fenomena perpindahan

yang kompleks pula . Sehingga penyebab pengendalian bioproses adalah :

1. Bioproses jauh lebih kompleks

2. Kesulitan untuk mengembangkan model yang realistis

3. Pengukuran parameter kunci biokimiawi dan fisiologik sangat sulit. Organism

yang memiliki mekanisme regulasi intraseluler sehingga regulasi terjadi

secara internal

Tujuan pengendalian proses (bioproses) adalah memanupulasi peubah-peubah

didalam sistem pengendalian proses. Manupulasi ini berguna untuk :

Mencapai keluaran pada suatu ketetapan nilai yang diinginkan

Menstabilkan proses-proses yang tidak stabil atau berpotensi tidak stabil ,

seperti operasi sinambung ( masalah stabilisasi)

Mengoptimalisasi kerja yang telah didefenisikan oleh pengukuran-pengukuran seperti rendemen, produktivitas, atau keuntungan ( masalah

optimasi).

Sistem pengendalian proses ada empat peubah yaitu:

Peubah yang dikontrol

5/20/2018 BAB II

18/21

20

Peubah yang diganggu

Peubah yang dimanupulasi, dan

Peubah acuan

2.7.1Pemantauan bioproses

Pemantauan langsung (on-line) bioproses biasanya untuk mengukur parameter

fisikokimia seperti pH, O2, atau CO2 dalam bioreaktor. Hasil pengukuran langsung

diketahui setiap saatUntuk merancang pengendalian on line suatu bioreaktor dapat

dilakukan lebih efisien dengan menggunakan model. Dengan suatu model, penduga

yang memberi perubahan peubah-peubah keadaan, dimungkinkan untuk

mengembangkan suatu penduga (estimator). Dengan jumlah sensor yang lebih sedikit

dimungkinkan untuk memantau proses lebih rinci.

Pemantauan tidak langsung (off-line) biasanya dilakukan untuk analisis

biokimiawi. Biasanya digunakan untuk mengevaluasi proses atau menganalisis akhir

proses. Sebagai contoh untuk mengukur substrat, metabolit, produk, atau biomassa

dalam bioreaktor. Dalam hal ini diperlukan pengambilan sampel dan perlu waktu

untuk menganalisisnya di laboratoriumSuatu sensor terdiri bagian-bagian yang dirangkai dalam unit penterjemah

yang dapat mengubah sinyal biokimiawi menjadi sinyal listrik dengan adanya daya

elektrokimia. Penterjemah yang digunakan misalnya potensiometrik atau elektroda

amperometrik, detektor optoelektronik, field effect transistor, termistor, dan

sebagainya.

Cara penerapan sensor tersebut bisa langsung atau secara tidak langsung:

Sensor BOD menggunakan elektroda oksigen

Sensor CO2 menggunakan elektroda potensiometrik atau amperometrik

Sensor aliran udara menggunakan rotameter/flow meter

Sensor pengukur panas menggunakan termometer/termistor

Sensor pengendali busa

Sensor pengendali pH

5/20/2018 BAB II

19/21

21

Sensor pengukur oksigen

Sensor enzim, dan sebagainya

2.8Fermentasi Substrat Padat

Fermentasi substrat padat berkaitan dengan pertumbuhan mikroorganisme pada

bahan padat dalam ketiadaan atau hampir ketiadaan air bebas. Tingkat lebih atas dari

fermentasi substrat padat (yaitu sebelum air bebas tampak) merupakan fungsi

penyerapan (absorbancy), dan dengan demikian kadar airnya pada gilirannya

tergantung pada jenis substrat yang digunakan. Aktivitas biologis menurun bila

kandungan air substrat sekitar 12%. Dan semakin mendekati nilai ini, aktivitas

mikrobiologis semakin tertahan.

Fermentasi substrat padat tidak memperhatikan fermentasi slurry (yaitu cairan

dengan kandungan zat padat tak larut yang tinggi) ataupun fermentasi substrat padat

dalam medium cair. Substrat yang paling banyak digunakan dalam fermentasi

substrat padat adalah biji-bijian serealia, kacang-kacangan, sekam gandum, bahabn

yang mengandung linoselulosa (seperti kayu dan jerami), dan berbagai bahan lain

yang berasal dari tanaman dan hewan. Senyawaan tersebut selalu berupa molekulprimer, tak larut atau sedikit larut dalam air, tetapi murah, mudah diperoleh dan

merupakan sumber hara yang tinggi.

Beberapa contoh fermentasi substrat padat:

Contoh SubstratMikroorganisme Yang

Terlibat

Produksi Jamur (Eropa

Dan Asia Timur)

Jerami, rabuk Agaricus bisporus,

lentinus edodes,

volvariella volvaceae

Fermentasi (DinegaraTimur)

Gandum dan kedele Aspergillus oryzae

Kecap Kedele Rhizopus sp.

Tempe Kedele Neurospora sitophila

Oncom

Keju Dadih susu Penicillim roquefortii

5/20/2018 BAB II

20/21

22

Pencucian Logam Biji mutu rendah Thiobacillus sp

Asamasam Organik Gula tebu, molasa Aspergillus niger

Enzimenzim Sekam gandum dansebagainya

Aspergillus niger

Pengkomposan Bahan organic campuran Jamur, bacteria,

aktinomisetes

Perlakuan Limbah Komponen limbah Bakteri, jamur dan

protozoaTabel 1. Contoh Fermentasi Substrasi Padat

Fermentasi substrat padat telah dipraktekkan selama ratusan tahun di asia

timur. Banyak makanan hasil fermentasi, seperti kecap, miso, tempe dan senbagainya,

mempunyai fase substrat padat lainnya digunakan untuk menghasilkan berbagaienzim dan bahan kimia seperti asam sitrat. Dibelahan bumi barat, fermentasi substrat

padat dipusatkan pada pengkomposan limbah tanaman dan hewan, ensiling,

penanaman jamur, dan pembuatan keju. Fermentasi substrat padat tehadap

lignoselulosa bisa menjadi industri besar di masa depan, untuk menghasilkan

biomassa, etanol, metan dan beberapa produk yang bernilai komersial tinggi.

Sebagaian besar produk bioteknologi yang didasarkan pada mikroba dapat dihasilkan

melalui fermentasi substrat padat. Factor penentu bagi dilaksanakannya fermentasi

semacam itu akan begantung pada nilai ekonomi relatifnya bila dibandingkan dengan

proses fermentasi cair.

Jenis mikroorganisme yang tumbuh baik dibawah kondisi fermentasi substrat

padat ditentukan terutama oleh faktor aktivitas air (aw). nilai aw substrat secara

kuantitatif menyatakan banyaknya air yang dibutuhkan bagi aktivitas mikroba.

2.8.1Jenis mikroba

Fermentasi substrat padat dapat berlangsung dalam berbagai bentuk yang

berbeda tergantung pada apakah mokroorganisme yang bersifat asli, kultur murni atau

kultur campuran. Fermentasi yang menggunakan mikroflora asli (indigenous)

terutama diarahkan untuk ensiling dan pengkomposan. Ensiling ialah suatu proses

5/20/2018 BAB II

21/21

23

anaerobic yang melibatkan tanaman pertanian dan dilaksanakan pada suhu 25-30oC

selama 1-2 minggu.

Lactobacillus bularicus menjadi organisme dominan yang menghasilkan asam

laktat dan selanjutnya menghambat bakteri putrefaktif yang potensial, dank arena tiak

adanya oksigen, jamur aerobik tidak dapat tumbuh. Tingkat kelmbaban adalah sangat

kritis pada 50-65%, untuk menjamin agar lactobacillus yang osmotoleran menjadi

aktif dan dominan. Sebaliknya, pengkomposan melibatkan serangkaian

mikroorganisme dari bakteri mesofilik, ragi dan jamur sampai aktinomisetes dan

jamur yan temofilik.

Fermentasi substrat padat dengan menggunakan kultur jamur murni paling

baik diilustrasikan dengan proses koji kuno murni untuk fermentasi biji-bijian dan

kedele dengan jamur Aspergillus oryzae. Substrat yang telah masak di inokulasi

dengan kultur murni A. oryzae dan diletakan pada lapisan tipis dalam baki atau dalam

bioreactor putar yang khusus supaya menghasilkan amilase dan proteaseuntuk

memecahkan bahan polimer di dalam substart. Proses koji merupakan dasar untuk

jenis fermetasi yang lain termasuk produksi enzim komersial, asam organic dan

etanol.Fermentasi substrat padat tertentu secara sengaja menggunakan inokulasi

kultur campuran untuk memperoleh pembentukan produk akhir yang optimum.

Dengan demikian jerami dapat dikonversi secara lebih efisien menjadi biomassa

jamur melalui penggunaan kultur camuran chaetomium cellulolyticum dan candida

lipolytical daripada setiap jamur itu secara sendiri-sendiri.

Suatu sifat yang mencirikan berbagai fermentasi substratpadat adalah

perlunya memberi perlakuan awal pada bahan mentah substrat untuk meningkartkan

ketersediaan hara, untuk mengurangi ukuran partikel untuk mengoptimumkan

parameter fisik fermentasi bersangkutan. Desain proses fermentasi substrat padat

lebih jauh dikendalikan oleh perlunya mencapai ciri pemindahan massa dan panas

yang baik, pemindahan massa interpartikel dan difusi intrapartikel merupakan dua

tahap utama pemindahan massa yang membatasi fermentasi substrat padat.