Kinetika pertumbuhan mikrobia

Penentuan fase-fase pertumbuhan diamati dengan menumbuhkan bakteri dengan jumlah tertentu ke medium baru.

Pertumbuhan dipantau dengan pengukuran konsentrasi sel pada interval waktu tertentu (jam).

Perubahan konsentrasi sel pada waktu tertentu dapat diplot menjadi kurva pertumbuhan.

Fase-fase pertumbuhan mikroba

Aktifasi Mikroba

Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)

Waktu mengganda (doubling time)

Hasil pertumbuhan (growth yield)

Kemampuan metabolime (metabolic quosient)

Affinitas substrat

Jumlah maksimum biomasa

Parameter-parameter pertumbuhan mikroba

Pertumbuhan Kultur Bakteri

Menggunakan sistem pemeliharaan khusus : Kultur sekali unduh (batch culture) Kultur berkesinambungan (continuous culture) Kultur terputus (fed-batch culture).

Memerlukan kultur murni Medium yang tepat Bejana untuk berlangsungnya pertumbuhan

yang disebut bioreaktor

Kultur sekali unduh (batch culture)

1. Merupakan sistem tertutup

2. Medium segar yang berupa nutrien dengan jumlah tertentu

diinokulasi dengan bakteri yang telah diketahui jumlahnya.

3. Nutrien akan habis dan terjadi penumpukan produk

4. Untuk mempelajari beberapa parameter pertumbuhan, dan

faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan

5. Untuk produksi biomasa, metabolit primer dan metabolit sekunder

Pertumbuhan mikrobia (Prokariota)

Sel prokariotik membelah secara biner:

1 2 4 8 16 32 64 n.

Pembelahan sel dinyatakan sebagai fungsi 2n :

20 21 22 23 24 25 26 2n

Kinetika Pertumbuhan Mikrobia

Nt = 1 x 2n

Jumlah total sel tergantung pada jumlah generasi (pembelahan) yang terjadi didalam waktu tertentu.

Apabila jumlah sel awal = N0,

maka jumlah sel dalam populasi : Nt = N0 x 2n

Nt merupakan fungsi dari 2diplot dengan nilai logaritmik, diperoleh kurva eksponensial

Jumlah sel setelah waktu tertentu : Nt,

1

2

3

4 5

6

Log

jum

lah

sel

Waktu, jam

Kurva pertumbuhan mikroba pada kondisi batch

1 = fasa lag2 = fasa percepatan3 = fasa eksponensial4 = perlambatan5 = stasioner6 = kematian

Fase pertumbuhan kultur

a. Setelah inokulasi tidak ada pertumbuhan, fase in adalah fase lag (istirahat ) yang merupakan waktu beradaptasi.

b. Pada proses komersial ,fase lag diusahakan sependek mungkin, yaitu dengan cara menyiapkan inokulum yang sesuai dan sehat

c. Fase berikutnya terjadi peningkatan kecepatan pertumbuhan, sel tumbuh konstan dan mencapai kecepatan maksimum.

Fase ini adalah fase eksponensial.

Didalam praktek digunakan angka dasar 10

Nt = N0 x 2n

log Nt = log N0 + n log2

log Nt - log N0 n = -------------------

log 2Kecepatan pembelahan sel  

t.301,0

NlogNlogk 0t

Jumlah sel dalam populasi :

t).2(log

NlogNlogk 0t

tk

n

Kecepatan tumbuh suatu bakteri biasanya dinyatakan sebagai jumlah generasi per satuan waktu atau generasi per jam.

Waktu generasi (g) adalah waktu yang diperlukan sel didalam suatu populasi untuk membelah diri.Pada umumnya berlangsung konstan dan relatif singkat (menit).

log Nt - log N0 log (2 N0) - log N0

k = ------------------ = ---------------------- 0.301 g 0.301 x g

g/1k

Persamaan untuk fase eksponensial :

dengan x : konsentrasi biomasa mikrobia t : waktu (jam) : laju pertumbuhan spesifik perjam

diintegrasi menjadi : xt = xo et

ln xt = ln xo + t

dx/dt = x

t

xlnxln ot

Sangat spesifik untuk masing-masing jenis mikrobia.

Misal

Aspegillus nidulans , max = 0,36 jam-1;

Methylomonas methyanolytica , max = 0,53 jam-1.

Kecepatan pertumbuhan maksimum (max)

( dicapai pada fase eksponensial)

Mikrobia tumbuh : mengkonsumsi makanan dan mengekskresikan hasil akhir

Produk yang terbentuk mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.

Suatu saat pertumbuhan akan berhenti dan bahkan mikrobia mati.

Berhentinya pertumbuhan disebabkan karena :

Kekurangan makanan yang tersedia di dalam medium.

Terjadi akumulasi produk yang bersifat ototoksik

(meracuni diri sendiri).

Kombinasi keadaan tersebut diatas.

Untuk mengetahui jumlah substrat yang diperlukan hingga waktu tertentu ( t ), digunakan persamaan

x : konsentrasi biomasa yang dihasilkan, Y : faktor hasil So : konsentrasi substrat awal St : substrat tersisa

x = Y (So – St)

dengan :

St : konsentrasi substrat tersisa Ks : konsentrasi substrat ketika = ½ max

Penurunan kecepatan dan berhentinya pertumbuhandisebabkan karena kekurangan substrat.

Hubungan antara (laju pertumbuhan spesifik perjam)terhadap substrat yang tersisa di dalam medium :

ts

tmaksSKS

persamaan Monod (1942)

Ks : digunakan untuk mengukur afinitas atau spesifikasi substrat

Ks rendah : Mikrobia mempunyai afinitas tinggi untuk substrat

pertumbuhannya, kecepatan pertumbuhan tidak terpengaruh oleh kurangnya substrat

Kecepatan pertumbuhan tinggi

Ks tinggi : Mikrobia tersebut mempunyai afinitas rendah untuk

substratnya, kecepatan pertumbuhan sangat dipengaruhi oleh konsentrasi substrat. Kecepatan pertumbuhannya rendah.

Berdasarkan tipe produk metabolisme yang dihasilkan selama pertumbuhan, dikenal dua tipe metabolit :1. Metabolit primer (ensim, asam organik dan alkohol)

dihasilkan pada fase eksponensial (trofofase).2. Metabolit sekunder yang dihasilkan selama fase stasioner

(fase idiofase).

Menurut Bull (1974) : Fase stasioner merupakan istilah yang salah karena pada fase ini populasi mikrobia tetap aktif melakukan metabolisme dan aktif menghasilkan metabolit sekunder.

Fase stasioner pada kultur batch merupakan kondisidisaat kecepatan pertumbuhan turun menjadi nol.

Fase ini adalah fase populasi maksimum.contoh metabolit sekunder : Asam giberelat

1. Kinetika pembentukan produk oleh kultur mikrobia yang dihubungkan dengan pertumbuhan : dp/dt = qpx ……… (1)

p : konsentrasi produk qp : kecepatan spesifik pembentukan produk

2. Hubungan antara pembentukan produk dan produksi biomasa, dapat dinyatakan persamaan :

dp/dx = Yp/x

Yp/x : produk yang dihasilkan setelah mengkonsumsi

substrat dp/dx = Yp/x dikalikan dx/dt = x dp/dt = Yp/x . x ……… (2)

3. Gabungan antara (1) dan (2) : qp = Yp/x.

4. Kecepatan pertumbuhan dipengaruhi oleh kecepatan spesifik pembentukan produk ( qp ).

5. Persyaratan yang harus diperhatikan untuk kultur batch : a. Kondisi kultur harus steril sehingga tercapai produksi biomasa yang maksimum b. Memperpendek fase lag dan memperpanjang waktu eksponensial (untuk produksi metabolit primer). c. Memperpendek fase eksponensial (untuk produksi metabolit sekunder).

Produksi biomasa : Kondisi kultur yang mendukung populasi sel maksimum.

Produksi metabolit sekunder : Memerlukan kondisi untuk mempercepattercapainya fase stasioner.

Fermentasi batch digunakan untuk :

Fermentasi batch

Media steril diinokulasi, kemudian fermentasi berlangsung tanpa pertabahan media baru.

Mengapa sel berhenti tumbuh?

Nutrien habis Kekurangan oksigen Perubahan pH Pertumbuhan terganggu

oleh metabolisme produk.

Fed Batch ( semi batch)

Nutrien ditambahkan secara periodik selama proses fermentasi.

Media pertumbuhan tidak dikeluarkan selama fermentasi

Fermentasi kontinyu

1) Media baru ditambahkan secara kontinyu selama fermentasi.

2) Media sisa (atau selnya) dikeluarkan secara

kontinyu

Fermentasi dapat berjalan hingga 1000 jam.

Terima kasih