KULTIVASI SUBSTRAT PADAT DAN CAIR

Wignyanto

KULTIVASI SUBSTRAT PADAT (SOLID STATE FERMENTATION) :

Proses yang menggunakan bahan tidak larut air untuk pertumbuhan mikroba tanpa menggunakan air bebas

KULTIVASI SUBSTRAT CAIR (SUBMERGED FERMENTATION):

Proses yang menggunakan bahan larut air untuk pertumbuhan mikroba dengan keberadaan air bebas

TAHAPAN DALAM KULTIVASI SUBSTRAT PADAT :

1. Persiapan substrat (pengecilan ukuran agar susbstrat mudah difermentasi oleh mikroorganisme, penambahan nutrien lain, pengaturan pH)

2. Sterilisasi/pasteurisasi

3. Penyiapan inokulum

4. Inokulasi

5. Inkubasi

6. Pemeliharaan kondisi agar optimal

7. Pemanenan dan ekstraksi produk

KONSEKUENSI SEDIKITNYA AIR DALAM KULTIVASI SUBSTRAT PADAT :

1.Aw < 0.99 cocok untuk fungi ( 0.93 – 0.98) . Bakteri & khamir umumnya optimal bila Aw di atas 0.99.

2.Terbatasnya pindah panas yang dapat menyebabkan masalah overheating terutama pada skala besar

3.Konsentrasi substrat lebih tinggi (KSP = 90-99 % substrat, KSC = 10 %) Tingginya konsentrasi ini berpotensial menimbulkan efek represi dan penghambatan.

KELEBIHAN KSP DIBANDING KSC :

1. Medium pada umumnya sederhana dan tidak memerlukan pre treatment yang kompleks. Kebanyakan berasal dari hasil pertanian karena sudah mengandung seluruh nutrient yang dibutuhkan mikroba, misalnya biji-bijian, dedak gandum, jerami, onggok, dll.

2. Karena Aw rendah, maka mengurangi peluang kontaminasi oleh bakteri atau khamir.

3. Substrat mempunyai kandungan nutrisi yang sangat tinggi konsentrasinya reaktor umumnya lebih kecil ukurannya dibanding KSC

4. Tenaga aerasi lebih rendah dibanding KSC

5. Untuk inokulum umumnya dalam bentuk spora tidak perlu reaktor yang besar

6. Proses hilir lebih mudah, bahkan pada produksi pupuk atau pakan tidak dihasilkan limbah.

KEKURANGAN KSP DIBANDINGKAN DENGAN KSC

1. Terbatas hanya pada m.o yang tumbuh pada kelembaban terbatas kebanyakan fungi

2. Masalah dalam pengeluaran panas sebagai hasil metabolisme

3. Sulit dalam melakukan kontrol proses (probe untuk sensor kebanyakan tidak cocok)

4. Terbatasnya fenomena transfer massa tidak seperti yang terjadi pada KSC yang umumnya dibantu oleh agitasi.

5. Sulit untuk mengetahui pertumbuhan sel sulit melakukan studi kinetika

6. Waktu kultivasi lebih lama

MIKROORGANISME DALAM KSP

BAKTERI

- Natto : makanan hasil fermentasi di Jepang oleh Bacillus subtilis yaitu kedelai masak dibungkus dalam jerami padi dan dibiarkan ditempat bersuhu hangat selama beberapa hari kultivasi tradisional

- Modern : sangat jarang , contoh : Alpha amylase menggunakan Bacillus spp dengan media wheat bran (dedak dandum)

KHAMIR

Tape : makanan Indonesia tradisional , media : singkong atau ketan difermentasi oleh Saccharomyces cereviseae

Produksi ethanol oleh Saccharomyces cereviseae dengan substrat gula bit, sorghum, dan buah anggur

Makanan ternak : media berpati oleh Saccharomyces cereviseae untuk meningkatkan kandungan protein

FUNGI (KAPANG)

Paling banyak digunakan pada KSP dikarenakan

• kapabilitas fisiologi dan pertumbuhan hifa yang sangat cocok untuk substrat padat

• Fungi berfilamen sangat aktif selama proses komposting

• Fungi mampu mendegradasi makromolekul seperti karbohidrat, protein, selulosa

Contoh :

1. Koji : tahap pertama pembuatan kecap , substrat kedelai, m. o : Aspergillus oryzae

2. Tempe : Rhizopus oligosporus pada substrat kedelai

3. Pakan ternak : pengayaan protein pada bahan berkarbohidrat

4. Pakan ternak : meningkatkan daya cerna bahan berlignoselulosa white rot fungi mendegradasi lignin sehingga selulosa mudah dicerna oleh m o rumen

5. A. niger digunakan pada tepung sorghum untuk meningkatkan L-lysine (asam amino esensial yang sedikit jumlahnya pada biji-bijian).

6. Fungi digunakan untuk mengurangi kadar tanin pada kulit carob dan pulp kopi yang digunakan sebagai pakan ternak

7. Produksi enzim komersial : selulase, protease, amilase, pektinase, xylanase, dll

8. Mycotoxin , contoh : ochratoxin, aflatoxin, dll

9. Asam sitrat

10. Blueveined cheeses : penicillium requeforti

KARAKTERISTIK FUNGI SEHINGGA COCOK UNTUK KSP :

Karakteristik Kultivasi Substrat Padat :

-Aw rendah yaitu < 0.99

-pH sulit dikontrol sedangkan hasil metabolisme pada umumnya menimbulkan suasana asam dan kapang adalah mo yang mampu tumbuh baik pada pH asam

-Substrat pada umumnya adalah makromolekul misalnya pati, protein, selulosa, dll.

Kapabilitas fisiologi :

- Tumbuh sangat baik pada Aw rendah dan pH rendah

- Mampu memproduksi enzim hidrolitik ekstraseluler

- Dapat bersporulasi

KARAKTERISTIK PERTUMBUHAN HIFA :

-Memudahkan kolonisasi fungi pada substrat

-Memudahkan penggunaan nutrient pada substrat

SUBSTRAT UNTUK KSP :

-Pada umumnya adalah produk hasil pertanian

- Makromolekul

- Faktor yang harus diperhatikan : ukuran partikel, bentuk prtikel substrat, porositas, konsistensi partikel

PERSIAPAN SUBSTRAT :

1.Pengecilan ukuran (penggilingan dan pengirisan)

2.Pengupasan agar substrat mudah kontak dg m.o

3.Hidrolisis terhadap polimer

4.Suplementasi dg nutrien tambahan

5.Pemasakan

Tugas : beri contoh perlakuan pendahuluan pd KSP untuk satu produk yang anda ketahui

PENGHITUNGAN BIOMASSA PADA KSP :

Sangat sulit dilakukan. Biasanya diestimasi dengan cara :

- cara langsung : pemisahan sel dari substrat & viable count method

- Diestimasi dari monitoring aktivitas metabolisme

- Komponen spesifik biomassa diukur

- Fenomena lain yang berkaitan dengan pertumbuhan

PEMISAHAN SEL DARI SUBSTRAT :

Wei et al (1981) : Model pertumbuhan S. cereviseae pd gelatin gelatin dicairkan pd suhu sedang lalu disentrifugasi untuk mendapatkan bobot kering khamirnya, kemudian diresuspensi dan OD diukur. Ini dilakukan pd beberapa konsentrasi khamir shg diperoleh plot OD dg bobot sel kering yang seterusnya digunakan sbg kurva standar

Sugama dan Okazaki (1979) : menggunakan amylase yang diharapkan dapat mendegradasi substrat beras sehingga biomass A. oryzae kemudian dapat dipisahkan teknik filtrasi dg saringan stainless steel (115 mesh) tetapi residu yang tidak terdegradasi mengganggu.

Viable Count Method

Sato et al (1983) memisahkan dg filter kasar Candida lypolitica yang tumbuh di substrat beras yang telah dihomogenisasi. Sel yang ada di filtrat dihitung dg haemacytometer atau TPC.

Silman (1980) : Aspergillus awamori dlm substrat wheat bran sampel diblender dan diencerkan lalu dihitung dg TPC

Aktivitas metabolik :

-Metabolisme oksigen dan CO2 aktivitas metabolisme berasosiasi dg pertumbuhan digunakan untuk estimasi biomassa

Sugama & Okazaki (1979) : A. oryzae pd substrat beras produksi CO2 dideterminasi dg titrasi dg NaOH

-Produksi enzim ekstraseluler

Prod enzim berkorelasi linier dg laju pertumbuhan

Komponen Biomassa

-Nitrogen dan protein

- DNA

- glucosamine dll

BIOREAKTOR :

1. Rotating Drum Fermenter (Bioreaktor Drum Berputar)

2. Wooden sel

3. Covered pan fermenter

4. Vertical incubation sel

5. Tray fermenter

6. Conveyor fermenter

7. Column fermenter

8. dll

Parameter monitoring dan kontrol proses :

1. Kelembaban dan kandungan air

2. Suhu

3. pH

4. Transfer O2 dan aerasi

5. Agitasi