TEKNOLOGI FERMENTASI ED. 2 Oleh : Lieke Riadi
Edisi Kedua Cetakan Pertama, 2013
Hak Cipta 2013 pada penulis, Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit.
Ruko Jambusari No. 7A Yogyakarta 55283 Telp. : 0274-889836; 0274-889398 Fax. : 0274-889057 E-mail :
[email protected]
Riadi, Lieke TEKNOLOGI FERMENTASI ED. 2/Lieke Riadi - Edisi Kedua – Yogyakarta; Graha Ilmu, 2013 viii + 150, 1 Jil. : 26 cm. ISBN:
978-979-756-948-8
1. Teknik
I. Judul
BAB
I
KATA PENGANTAR
Buku “Teknologi Fermentasi” ini ditulis untuk mahasiswa Strata 1, yang merupakan buku pegangan untuk mempelajari Teknologi Fermentasi yang dimulai dari isolasi dan pertumbuhan mikroorganisme sampai pada desain fermentor. Pada edisi kedua ini , ada satu bab yang ditambahkan di buku ini, fermentasi bahan pangan yang meliputi fermentasi susu, sayur, daging dan kedelai, disamping adanya perbaikan-perbaikan yang cukup banyak pada beberapa bab yang sudah ada, khususnya bab V dan bab VII. Penambahan satu bab pada edisi kedua ini berdasarkan pada keyakinan saya bahwa aplikasi fermentasi pada bahan pangan perlu dikembangkan mengingat bidang ini akan menjadi bidang aplikasi yang dapat melatih para peserta didik untuk melakukannya dalam skala kecil dan komersil. Bab I menjelaskan tentang Pengantar Teknik Fermentasi yang berisi tentang ruang lingkup Teknologi Fermentasi. Bab II menjelaskan tentang bagaimana mengisolasi dan melakukan preservasi mikroorganisme, karena bagian ini merupakan bagian yang tidak terlepaskan dari awal proses fermentasi. Bab III menjelaskan tentang bagaimana mendesain media untuk fermentasi, karena media fermentasi akan menentukan dapat tidaknya mikroorganisme bertumbuh secara optimal disamping pengaruh suhu dan pH. Proses sterilisasi akan dijelaskan dengan detail pada bab IV, proses ini merupakan kunci suksesnya sebuah proses fermentasi, yang memang harus terhindar dari kontaminasi. Perilaku pertumbuhan mikroorganisme pada proses fermentasi, dan kinetika pertumbuhannya dibahas cukup mendalam pada bab V, dengan model matematikanya untuk proses batch maupun kontinyu. Kebutuhan aerasi dan agitasi pada proses fermentasi dibahas pada bab VI dengan banyak menjelaskan kebutuhan tenaga untuk proses agitasi dan aerasi baik pada fluida newtonian maupun fluida non newtonian. Pada bab VII, desain fermentor dibahas untuk memberikan pemahaman tentang kriteria apa saja yang dibutuhkan dalam mendesain fermentor dan juga bagaimana menentukan ukuran-ukuran bejana, agitator dan baffle serta pengendalian variabel-variabel dan parameter yang perlu diukur selama proses fermentasi. Penulis, Lieke Riadi
BAB
I
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR
v
DAFTAR ISI
vii
BAB I
PENGANTAR TEKNIK FERMENTASI
1
BAB II
ISOLASI DAN PRESERVASI MIKROORGANISME
13
BAB III
MEDIA UNTUK FERMENTASI
17
BAB IV
STERILISASI
25
BAB V
PERTUMBUHAN MIKROORGANISME
61
BAB VI
AERASI DAN AGITASI
87
BAB VII
DESAIN FERMENTOR
107
BAB VIII
FERMENTASI BAHAN PANGAN
125
DAFTAR PUSTAKA
147
TENTANG PENULIS
149
-oo0oo-
BAB
I
PENGANTAR TEKNIK FERMENTASI
Fermentasi sudah dikenal sejak jaman dahulu, dengan kecenderungan terhadap keberlanjutan lingkungan hidup, dan pengembangan sumber daya yang dapat diperbaharui, menyebabkan peningkatan upaya dan ketertarikan dalam upaya mengambil kembali produk-produk fermentasi, seperti asam organik, aditif makanan dan bahan kimia. Fermentasi mulai menjadi ilmu pada tahun 1857 ketika Louis Pasteur menemukan bahwa fermetasi merupakan sebuah hasil dari sebuah aksi mekroorganisme yang spesifik. Fermentasi sebagai industri dimulai awal 1900, dengan produksi dari ensim mikroba, asam organik, dan yeast . Selama 30 tahun pertama dari abad ke dua puluh, banyak solven dihasilkan dari proses fermentasi. Tetapi setelah perang dunia kedua, dengan minyak bumi yang berlimpah, banyak proses produksi kimia yang berdasarkan fermentasi digantikan dengan proses synthesis dengan bahan baku minyak mentah.. Fermentasi secara kontinyu digunakan oleh industri farmasi yang didirikan pada sekitar tahun 1950. Saat ini fermentasi memiliki arti yang berbeda bagi seorang ahli biokimia dan bagi seorang “ industrial microbiologist”. 1). Dari sisi arti biokimia : fermentasi berhubungan dengan pembangkitan energi dengan proses katabolisme senyawa-senyawa organik, yang berfungsi sebagai donor elektron dan terminal electron acceptor . 2). Dari sisi”industrial microbiologist”: fermentasi berhubungan dengan proses produksi produk dengan menggunakan mikroorganisme sebagai biokatalis. Proses fermentasi dapat dibedakan fermentasi ”submerged culture” dan fermentasi ”solid state”. Kondisi fermentasinya dapat berupa kondisi aerob, mikroaerophilik, maupun anaerob. Kondisi aerob adalah kondisi fermentasi yang dijalankan dengan suplai oksigen yang cukup. Kondisi mikroaerphilik adalah kondisi fermentasi yang dijalankan dengan suplai oksigen yang terbatas, sedangkan kondisi anaerob adalah kondisi fermentasi yang dijalankan tanpa kehadiran oksigen. Fermentasi ”submerged culture” Fermentasi “submerged” adalah proses fermentasi yang mikroorganisme dan subtrat berada menjadi satu dalam “submerged state” dalam media cair dalam jumlah yang besar.
2
Teknologi Fermentasi
Mikroorganisme ditumbuhkan pada media cair dan sel yang tumbuh berada dalam kondisi tercelup dalam media cairan. Tujuannya adalah untuk pembentukan produk yang dihasilkan oleh pertumbuhan mikroorganisme. Pertumbuhan yang terjadi umumnya cepat, dan menjadi tampak setelah 24 jam. Fermentasi “solid state” Fermentasi “solid state” secara ringkas dapat didefinisikan sebagai proses fermentasi yang pertumbuhan mikroorganisme dan pembentukan produk terjadi pada permukaan subtrat padatan. Fermentasi “solid state” adalah metode menumbuhkan mikroorganisme di kondisi yang kandungan airnya terbatas tanpa memiliki aliran air yang mengalir bebas. Mikroorganismenya tumbuh pada permukaan padatan yang lembab , tetapi juga dapat berhubungan dengan udara secara langsung. Fermentasi “solid state” banyak diaplikasikan di negara-negara Cina, jepang dan Korea, yang dikenal dengan fermentasi”Koji”, untuk produksi produk-produk soya seperti tempe,soya sauce dll. Akhir-akhir ini telah dikembangkan beberapa terobosan baru untuk fermentasi”solid state” yang mengurangi biaya manufaktur karena menggunakan limbah pertanian padat dan juga mengurangi biaya aerasi. Fermentasi “solid state” dibedakan menjadi 2 macam berdasarkan keadaan fisik dari subtratnya : 1.
2.
Padatan dengan kadar air rendah a. Padatan dengan kadar air rendah difermentasikan tanpa pengadukan , sebagai contoh pembuatan tempe b. Padatan dengan kadar air rendah dan dilakukan pengadukan sewaktu-waktu, contoh pada pembuatan soy sauce, miso c. Padatan dengan kadar air rendah dan dilakukan agitasi secara kontinyu sebagai contoh pembuatan aflatoxin Padatan terlarut Padatan terlarut difermentasikan di “packed column”, dengan cairan disirkulasikan, contoh pembuatan rice wine
Fermentasi “solid state” dibedakan menjadi 2 macam berdasarkan kondisi nutriennya : 1. 2.
Padatannya sebagai sumber nutrient utama Padatannya merupakan nutrien inert ( jarang digunakan)
Beberapa keuntungan fermentasi “solid state” :
investasi modal rendah dan mengurangi pengeluaran rendahnya pemakaian air rendahnya kebutuhan energi untuk proses fermentasi karena tidak adanya agitasi tidak terbentuknya busa karena tidak ada air yang berlebih media fermentasi yang sederhana kebutuhan ruang fermentasi lebih kecil dapat dilakukan pada skala operasi yang bermacam-macam tidak dibutuhkannya aerasi lebih mudah mengontrol kontaminasi bakteri
Pengantar Teknik Fermentasi
3
mengurangi induksi dan supresi dari spora rendahnya biaya untuk proses “downstream”
Perbedaan mendasar antara fermentasi “solid state” dan fermentasi “submerged” dapat dilihat pada Tabel I.1. Tabel I.1. Perbedaan fermentasi “solid state” dan “submerged” Karakteristik
Fermentasi “solid state”
Fermentasi”submerged”
1. kondisi mikroorganisme dan subtrat
statis
teraduk
2. status subtrat
mentah
murni
3. keadaan alami dari mikroorganisme
System fungi
-
4. keberadaan air
terbatas
tinggi
5. suplai oksigen
difusi
6. kontak dengan oksigen
langsung
oksigen terlarut
7. kebutuhan media fermentasi
kecil
besar
8. kebutuhan energi
rendah
tinggi
9. studi kinetika
kompleks
mudah
10. perubahan suhu dan konsentrasi
Fungsi step
“smooth”
11. Pengendalian reaksi
sulit
mudah
12. potensi kontaminasi
kecil
tinggi
13. jumlah cairan yang harus dibuang
rendah
tinggi
14. problem polusi
rendah
tinggi
Dengan menyemburkan atau menggelembungkan
Ruang lingkup proses fermentasi : 1. 2. 3. 4.
Fermentasi yang menghasilkan sel (biomas) sebagai produk Contoh : yeast, Single cell protein Fermentasi yang memproduksi ensim Contoh : enzyme glucoamilase Fermentasi yang menghasilkan hasil metabolisme mikroba : Primary metabolite products dan secondary metabolite products Fermentasi yang memodifikasi senyawa ( proses transformasi)
4
Teknologi Fermentasi
I. FERMENTASI YANG MENGHASILKAN SEL (BIOMAS) SEBAGAI PRODUK Untuk memberikan gambaran fermentasi yang menghasilkan sel, maka ada 2 contoh yang kami berikan di sini. I.1. Yeast Untuk produksi yeast, beberapa subtrat dapat digunakan. Subtrat ini meliputi n-alkana, methanol, ethanol, minyak diesel, limbah industri bir, pati,molasses. Yeast yang diproduksi adalah Candida, Hansenula, Rhodotorula dan Torulopsis. Untuk produksi Saccharomyces cerevisae , digunakan media yang mengandung gula, seperti molases. Untuk produksi biomas ( yeast) , perbandingan carbon terhadap nitrogen di medium berada pada kisaran 7:1-10:1. Konsentrasi karbohidrat dalam kultur batch sekitar 1-5 %. Pada kultur yang kontinyu, dengan subtrat hidrokarbon atau alkohol, dibutuhkan konsentrasi yang lebih rendah. Subtrat karbohidrat siap untuk dilarutkan dengan air , sedangkan hidrokarbon C10 – C18 hanya sedikit larut dalam air. Untuk menjaga pH dengan kisaran 3.5-4.5 digunakan ammonia anhydrous dengan asam phosphat. Untuk pertumbuhan aerobik dengan hidrokarbon sebagai subtrat, kebutuhan oksigen adalah 1 g oksigen per gram biomas kering. Sedangkan untuk pertumbuhan dengan n-alkana, dibutuhkan oksigen sebanyak 2 g oksigen per gram biomas kering. Gambar I.1 menunjukkan proses produksi yeast ( Candida utilis) dari limbah “paper pulp sulphite liquor”. Untuk melakukan recovery produk, sel yeast dapat langsung dipisahkan dari media pertumbuhannya dengan sentrifugasi kontinyu, karena sel yeast memiliki ukuran yang berkisar dari 5-8 m dan densitas 1.04-1.09 g/cc. I.2. Single cell protein ( Protein Sel Tunggal) Berbagai kelompok mikroorganisme , termasuk algae, bakteri, yeast, jamur sudah dipertimbangkan sebagai sumber protein, sel kering yang sering disebut Single Cell Protein (SCP) Algae Algae dapat ditumbuhkan secara photosinthesis atau heterotroph. Photosinthesis dan pertumbuhan autrotroph melibatkan iluminasi buatan atau sinar matahari dan karbon dioksida, sedangkan pertumbuhan heterotroph terjadi dalam kondisi gelap dengan sumber karbon organik dan sumber-sumber energi. Untuk pertumbuhan algae digunakan sinar dengan panjang gelombang di sekitar 700 nm. Untuk melakukan recovery produk, pemisahan biomas algal dari cairan /media menunjukkan masalahmasalah besar dengan konsentrasi berat kering biomas yang kecil, yaitu 1-2 g/l, dan laju pengendapan yang rendah. Proses untuk mendapatkan sel dilakukan dengan cara pemekatan, penghilangan air, pengeringan. Flokulan seperti alumunium sulfat, calcium hidroksida dan polimer kationik cukup efektif digunakan dalam proses recovery ini, tetapi tidak bisa dipisahkan dari biomas. Oleh sebab itu, algae
