Protein Sel Tunggal Kode Mata Kuliah
: 2035820
Bobot
: 2 SKS
OLEH Imam Santosa, S.T.,M.T Irma Atika Sari, S.T., M.Eng
• Protein sel tunggal (PST) adl sel khamir, kapang, bakteri dan ganggang yg tumbuh dan berisi protein. • Sel mikrobia ini mengandung karbohidrat, lemak, vitamin dan mineral. • Produk PST kemungkinan dpt digunakan sbg makanan manusia & ternak. • PST mempunyai potensi yg sangat penting bagi sumber asam amino, protein, vitamin dan mineral yg disusun dari bahan nonpangan/ limbah bermutu rendah.
Hambatan penggunaan PST sbg makanan manusia adl: o Kandungan asam nukleatnya yg tinggi yg dpt menyebabkan pembentukan batu ginjal/ penyakit encok jika dikonsumsi berlebihan. o Daya cernanya rendah dan kemungkinan memburuknya reaksi-reaksi pd usus dan kulit o Kemungkinan membawa senyawa racun/ karsinogenik dr residu substrat yg berasal dr proses biosintesis mikroba/ dr reaksi kimia selama proses dan pengeringan.
• Nilai kandungan asam nukleat berdasarkan bobot kering dpt dilihat pd tabel di bwh ini:
• Dibandingkan dg bhn makanan konvensional, kandungan as. Nukleat pd PST relatif tinggi. • Kandungan as. Nukleat pd PST berkisar antara 8-25 gram/ 100 gram protein. • Bagian terbesar nukleat pd PST adl RNA (Ribonukleat). • Pada jaringan hewan, kandungan as. Nukleat tertinggi terdapat pd bagian hati (4 gr as. Nukleat/ 100 gr protein); ikan (2,2 gr as. Nukleat/ 100 gr protein); dan telur ikan (5,7 gr as. Nukleat/ 100 gr protein)
Komponen utama as. Nukleat • Guanin dan Adenin, dimetabolisme mnjd as. Urat. • Manusia kekurangan enzim Urikase yg mengoksidasi as. Urat mnjd Alatonin metabolit, yg larut dan mudah dikeluarkan dr tubuh. • Konsumsi PST yg mengandung purin tinggi mengakibatkan peningkatan kadar as. Urat pd plasma sel dan air seni. • Krn kelarutan as. Urat rendah, diduga peningkatan as. Urat pd plasma dpt menghasilkan Urate pd jaringan tubuh dan persendian tulang. • u/ mencegah terjadinya pembentukan batu ginjal dan penyakit encok maka pemasukan as. Nuklaet yg diperkenankan berkisar antara 2 gram/ hari.
• Pd dasarnya PST ditujukan sbg makanan ternak yaitu protein pengganti pd campuran mknn ternak u/ unggas dan ternak nonruminansia/ sbg pengganti susu u/ anak sapi. • Penganekaragaman sumber protein pd makanan ternak ini, krn bahan makanan ternak konvensional dominan yaitu kedelai dan tepung ikan tdk mencukupi bagi kebutuhan ternak.
• Bermacam-macam Kapang, khamir, bakteri dan ganggang dpt digunakan PST.
Ganggang • 2 spesies ganggang yaitu Scenedesmus acutus dan Spirulina maxima digunakan kolam kultur guna mendapatkan biomassanya. • Penggunaan ganggang agak terbatas krn 2 hal, yaitu: o Geografis, ganggang membutuhkan suhu hangat, o Nilai gizi, dinding sel ganggang sukar dicerna
Bakteri • Bakteri yg dpt digunakan adl Pseudomonas sp., Hydrogenomous sp., dan Cellulomonas sp. • Bakteri mampu tumbuh pd berbagai substrat, memiliki waktu perkembangbiakan pendek & tinggi kandungan proteinnya. • Namun demikian penggunaan bakteri u/ produksi PST agak terbatas krn: o Berukuran kecil dan sukar pemanenannya o Tinggi kandungan as. Nukleatnya.
Khamir • Khamir memungkinkan lbh luas penggunaannya pd pembuatan PST krn mempunyai sifat-sifat yg menguntungkan dibandingkan ganggang maupun bakteri, yaitu: o Rendah kandungan as. Nukleatnya o Lbh mudah pemanenannya o Dpt tumbuh pd substrat dg pH rendah • Khamir yg dpt digunakan adl Candida utilis yg tumbuh cpt dan dpt memanfaatkan gula pentosa dan heksosa sbg makanan tambahan u/ pertumbuhan.
Khamir ... • C. Utilis dpt ditumbuhkan pd kultur media yg tdk kaya nutrisi. • Ada 2 varietas khusus C. Utilis yaitu C. Utilis van major (yg mempunyai sel lbh besar) dan C. Utilis van thermophilla. • Golongan khamir yg dpt digunakan u/ menghasilkan PST adl C. Utilis
C. Tropicalis
Pichia sp
C. Guilliermodii
Torulopis Candida
Debarymytorula sp
C. Lipolytica
T. Methanosorbosa
Saccaromysces sp
• Golongan ganggang yg dpt digunakan u/ menghasilkan PST adl Spirulina maxima Chorella sp Scenedesmus sp dll
• Golongan fungi filamentus yg dpt digunakan u/ menghasilkan PST adl l Agaricus sp Penicillium sp Aspergillus sp Trichosporon cutaneum Fusarium sp
• Golongan bakteri yg dpt digunakan u/ menghasilkan PST adl Bacillus sp
Acromonas eutrophus
Cellulomonos sp
Mycobacterium sp
Acimabacter Calcoacetius Nocardia sp
Rhodopseudomonas sp
Methylomonas sp
• Pembiakan mikroba dlm substrat cair dpt dilakukan pd kolam scr batch/ kontinu. • Dlm pembiakan batch, substrat yg tlh diinokulasikan dlm cara dan lingkungan yg sesuai dlm jangka waktu ttt. • Dalam kontinu, substrat segar ditambahkan secara terus menerus ke dlm biakan sedangkan produk yg terbentuk secara terus menerus diambil dari kolam biakan.
• Mikroba yg paling bnyk digunakan pd pembuatan PST adl golongan Khamir. • Sebagian besar khamir yg dihasilkan dr proses kontinu membutuhkan: o Pertumbuahn khamir aktif pd fermentasi o Umpan kerbohidrat dan sumber-sumber N, P, dan K pd laju peningkatan selama tingkat maksimal pertumbuhan hrs dijaga terus-menerus. o Pemberian aerasi dan pengadukan yg optimal o Pengeluaran cairan yg mengandung sel khamir dilakukan pd laju & volum sama dg penambahan media baru.
• Kondisi optimal produksi khamir adl beragam, sesuai dg khamir dan BB substrat yg digunakan. • Sistem aerasi sebaiknya agak berlebih ttp pd tingkat yg optimal; jika terlalu sedikit akan menghasilkan alkohol pd pertumbuhannya, sebaliknya bila terlalu banyak akan cocok u/ respirasi dan menghasilkan panas serta menurunkan sel khamir. • Toptimal bg pertumbuhan khamir bergantung pd jenis khamir; pH hrs berada pd keadaan asam dan biasanya berkisar antara 4,5 – 6,0
• Nilai konsumsi protein berkisar 65-90% u/ berbagai kultur yg tlh diuji. • Nilai perbandingan efisiensi protein berkisar antara 0,6 – 2,6 • Khamir pangan adl protein tinggi ditambah vit B kompleks ttp kekurangan metionin dan sedikit sistein. • Selain itu khamir pangan mengandung tiamin, riboflavin, biotin, as. Pantotrnat, pirodoksin, siasin, streptogenin, glutation, sedikit as. Folat dan as. Pamino bensoat.
• Neraca massa substrat u/ pembuatan PST menunjukkan bahwa sebagian besar N ditahan di dalam produk, ttp sebagian karbohidrat hilang digunakan sbg energi u/ sintesa, seperti yg ditunjukkan pd tabel di bawah ini
• Secara umum prmbuatan PST adh: o input • Bahan makanan dasar • Inokulum • Energi o Output • Panas • Karbondioksida • sel • Nilai gizi PSTberupa substrat beragam sesuai mikroba yg digunakan. • Cara pemanenan, pengeringan & pengolahan berpengaruh thdp hasil akhir nilai gizi. • Secara umum pembuatan PST spt di lihat pd gambar sbb:
Proses Pembuatan PST • Faktor yg perlu dipertimbangkan dlm meproduksi PST: o NUTRISI o TEKNOLOGI PANGAN o SOSIOLOGI EKONOMI & TEKNOLOGI o PENGGUNAAN SUBSTRAT YG COCOK • Menentukan proses mana yg akan digunakan dlm memproduksi PST merupakan masalah yg kompleks, krn bnyk proses yg berpotensi baik.
misal • Memproduksi PST dr fraksi minyak bumi sifatnya akan lbh ekonomis krn bahan yg akan digunakan adl residu hidrokarbon, drpd menggunakan karbohidrat, lihat Tabel 14.3.
misal • Dr tabel tsb terlihat bahwa memproduksi jml sel yg sama, karbohidrat memerlukan substrat 2x lbh besar drpd substrat hidrokarbon, ttp memerlukan O2 1/3 nya dan lbh sedikit menghasilkan panas. • Ini disebabkan hidrokarbon lbh mudah teroksidasi dibandingkan bentuk-bentuk selular seperti protein & nukleat.
Hal penting dlm memproduksi PST • • • •
Penyediaan substrat Kontrol suhu dan pH Kondisi aerasi dan agitasi Serta pemanfaatan kembali sel-sel yg dihasilkan.
• u/ mendapatkan protein dari khamir dan bakteri dilakukan fermentasi rendam. • Khamir dan bakteri yg digunakan umumnya adl Candida utilis dan Micrococcus Cerificans. • Dlm produksinya digunakan tabung fermentasi dg kapasitas ribuan gallin & peralatan yg lengkap u/ penambahan nutrien dan udara steril, sterilisasi dan pendinginan medium, kontrol agitasi dan pH.
Penyediaan substrat • Dlm memproduksi PTS, penyediaan dan persiapan substrat merupakan langkah yg penting. • Yg termasuk dlm proses ini adl o Sterilisasi media o Sterilisasi udara dan pengaturan pH, o Suhu o Nutrien yg dibutuhkan u/ pertumbuhan m.o secara optimum
Kontrol suhu dan pH • Nilai pH dan suhu berbeda-beda u/ setiap substrat, kultur dan kondisi fermentasi. u/ Khamir pH optimum 4 – 5,5 u/ Bakteri pH optimum di atas 7 • Nilai pH ini sangat mempengaruhi komposisi dari as. Amino dan protein yg dihasilkan. • Kontrol pH dpt dilakukan scr manual maupun otomatis. • u/ mengatur pH sampai tingkat yg diinginkan dpt digunakan berbagai bahan kimia, seperti amonia cair, amonium sulfat, as. Sulfat, natrium bikarbonat/ natrium karbonat.
Kontrol suhu dan pH ... • Menurut Mateles (1967), spesies Bacillus yg merupakan bakteri termofilik dan bisa tumbuh dg baik pd T=65 0C pd heksadekan, dpt menjadi sumber u/ produksi PTS u/ mengurangi masalah pendinginan. • Hal ini disebabkan heksadekan adl hidrokarbon yg lbh panas dibandingkan dg karbohidrat.
Kondisi aerasi dan agitasi • Aerasi & agitasi merupakan hal yg penting dlm memproduksi sel-sel khamir dan bakteri. • u/ pertumbuhan secara aerobik, suplai oksigen merupakan faktor terpenting dalam penggunaan sumber karbon secara efisien. • Luas permukaan sejumlah gelembung udara pd suatu cairan bertambah dg semakin kecilnya gelembung udara. • Dg demikian permukaan sentuh antara udara dg medium lebih besar drpd gelembung berukuran kecil, jika dibandingkan dg gelembung berukuran besar, dan kemungkinan waktu kontak lebih lama pada gelembung ukuran kecil.
pemanfaatan kembali sel-sel (cell recovery) yg dihasilkan • Pengambilan sel yg dihasilkan dpt dilakukan dg cara sentrifugasi, filtrasi, flokulasi dan cara pengeringan semprot. • Wang (1968) dlm Anonimus, mengemukakkan beberapa masalah yg dihadapi dlm memanen sel-sel hsl fermentasi hidrokarbon. • Jika sel ditumbuhkan pd n-alkana yg dimurnikan, maka akan di dapatkan residu hidrokarbon yg sangat sedikit, dan jumlah tersebut dapat dikurangi dg fermentor. • u/ sel-sel yg dibutuhkan pd campuran uap dan minya, maka akan dibutuhkan proses ekstraksi pelarut.
PST dr Limbah Cair Sulfit • M.o yg digunakan adl khamir Candida utilis. • Kelebihan sulfit pd pulp (pabrik kertas) dpt dikurangi dg cara destilasi, menetralkan sulfit menggunakan air kapur. • Fermentasi berlangsung scr kontinu, dg T=37 0C. • Aerasi dilakukan dg menggunakan suatu “draft tube” yg dihubungkan dg sebuah aerator yg berputar dg kecepatan 300 rpm. • Inokuslasi kultur dilakukan 1x di Lab. • Kondisi Ph, T, aerasi dan agitasi memungkinkan berlangsung cukup cepat dan mencegah m.o lain tumbuh.
Peralatan yg digunakan dlm proses pembuatan PST dr limbah cairan sulfit ini adl: • • • • • • • •
Kondensor spiral Pendingin Siklon Blower snetrifugal Pengering berputar ganda Konveyor berulir Unit pelapis Pengaduk unit refrigerasi amonia cair
PST dr Hidrokarbon • M.o yg digunakan adl Microcaccus cerificans yg tumbuh dg baik pd T= 25 0C dan pH sekitar 7,0-8,5 • Sbg umpan digunakan parafin C11-C30 yg sdh dimurnikan u/ mengurangi tingkat aromatiknya sampai di bawah ½ % bobot. • Selain itu digunakan petrolium C1-C30, terutama minyak gd TD diantara 190-320 0C • Proses ini melibatkan secara terus-menerus hidrokarbon cair/ gas, garam-garam mineral cair, medium dan oksigen berlebih ke dlm reaktor yg berisi medium cair dan sel-sel bakteri yg dpt tumbuh pd hidrokarbon.
Peralatan yg digunakan dlm proses pembuatan PST dr hidrokarbon adl: • • • • • • • • • •
Unit pemurnian umpan Saringan molekuler 5A Saringan 13x Tangki penyimpan hidrokarbon murni Reaktor/ fermentor Pengaduk Tangki pencampur Menara destilasi Separator sentrifugal Pengering terutama spray drier.
PST dr Alga • Kemampuan m.o alga u/ berfotosintesa tlh lama dimanfaatkan u/ menghasilkan PST. • Beberapa alga yg dpt digunakan adl alga hijau (Chlorolla vulgaris, Scenedesmus acutus, Coelastrum proboscideum) dan alga biru (Spirulina maxima). • Dlm proses ini alga dipelihara di kolam-kolam terbuka yg cukup dpt mendapat sinar matahari. • Biomass yg diperoleh berwarna hijau muda. • Dinding-dinding sel alga umumnya rusak pd waktu pengeringansehingga sel dpt langsung dimanfaatkan.
Kondisi yg diperlukan agar alga tumbuh dg baik diantaranya: • • • •
Pasokan karbohidrat dan mineral yg memadai. Cahaya dg intensitas yg cocok Suhu yg tetap Pengadukan yg baik u/ mencegah pengendapan alga Ex u/ mendapatkan distribusi yg merata dr karbondioksida, nutrien dan cahaya.
• Faktor yg penting dlm kulturisasi alga adl pengadukan. • Jika kultur tdk diaduk, kebanyakan sel alga akan mengendap di dasar wadah/ akan terdapat dipermukaan dimana hal ini akan dapat mengakibatkan alga akan tersinari sebagian.
Pemanenan sel-sel alga • Penentuan konsentrasi awal dari suspensi alga • Penarikan air dari suspensi alga • Pengeringan alga u/ disimpan dan diolah
Hal yg merugikan dr proses pembuatan PST dr alga • Dalam larutan mediumnya terdapat kontamina seperti larva nyamuk, protozoa Branchiours sp, dan kadang-kadang oleh alga lain seperti Diatome/ Chorela.
Perlatan yg digunakan Peralatannya lbh sederhana drpd peralatan yg digunakan khamir dan bakteri. Peralatan tsb adl pengatur suhu sentrifusi, pengering terutama pengering semprot, mesin pengaduk/ unit agitasi dan pemanas (kompor uap).
SELESAI
