Pengumpulan 1Rabu, 1 Oktober 2014

PERTUMBUHAN MIKROBA DAN NUTRISIDisusun untuk memenuhi Tugas Mikrobiologi IndustriDosen Pengampu :Prof. Dr. Ir. Chandrawati Cahyani, M.S.

Eria Harini (135061101111032)Kelas B

JURUSAN TEKNIK MESIN MINAT TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS BRAWIJAYA2014

Nutrisi MikrobaBiosintesis senyawa selular diperlukan untuk pertumbuhan, reproduksi , ketersediaan nutrisi dan sumber energi. Penggolongan nutrisi dibedakan berdasarkan sumber energinya, elektron/hidrogen dan karbon yang digunakan oleh organism itu (table 2.1). Mikroorganisme telah berevolusi dalam berbagai mekanisme untuk mendapatkan energi, pada dasarnya terbagi menjadi dua kategori.Kemotroph memperoleh energi dari oksidasi organik atau anorganik, sedangkan phototroph mendapatkan energi dari cahaya. Keduanya memiliki dua sumber atom hydrogen atau elektron . Organotroph mengoksidasi molekul organik sebelum terbentuk seperti gula untuk mendapatkan elektron atau hidrogen. Sedangkan litotroph memperoleh elektron dari reduksi molekul anorganik seperti hydrogen sulfide dan ammonia. Nutrisi karbon dibagi menjadi dua kelas yaitu Autotrof yang menggunakan CO2 sebagai sumber utama karbonnya sedangkan heterotroph menggunakan reduksi molekul organik seperti hidrokarbon, lipid, asam organic, gula sederhana dan polisakarida.Sel mikroba harus mendapatkan unsur kimia agar kebutuhan nutrisinya terpenuhi seperti karbon makronutrien, hydrogen, oksigen dan nitrogen dalam gram per liter pertumbuhan medium. Unsur tersebut bersama fosfor dan sulfur merupakan komponen utama senyawa polimer selular : lipid, asam nukleat, polisakarida dan protein (table 2.2). Unsur lainnya adalah kalsium, zat besi, kalium dan magnesium dalam milligram per liter sedangkan kobalt, tembaga, mangan, molybdenum,nikel, selenium dan seng dalam jumlah microgram per liter.Makro NutrientFermentasi autotrof yang memanfaatkan CO2, jarang dioperasikan pada di industri melainkan menggunakan pertumbuhan heterotrof. Dalam fermentasi heterotrof, sumber karbon diperlukan dalam konsentrasi yang relative tinggi sekitar 10-20 g/L bahkan lebih sebagai penyedia karbon untuk biosintesis dan sumber energi. Mikroorganisme berisi lebih dari 15% (w/w) nitrogen dalam protein dan asam nukleat. Untuk memenuhi kebutuhan nitrogen biasanya dibutuhkan konsentrasi 1-2 g/L. Garam ammonium merupakan sumber nitrogen, tetapi sebagian juga banyak terdapat pada nitrat, asam amino dan urea. Selain itu, Azotobacter dan spesies Rhizobium dapat dimanfaatkan sebagai pengikat molekul nitrogen.Mikro NutrientFosfor merupakan komponen mikro yang diperoleh dari ion fosfat anorganik. Elemen ini digunakan untuk sintesis asam nukleat sebagai metabolisme intermediet karbohidrat dan senyawa yang dapat mentransfer energi, seperti pada adenosin trifosfat (ATP) dan nikotinamida adenin dinukleotida fosfat (NADP). Konsentrasi fosfor pada media tumbuh biasanya tidak lebih dari 100mg/L. Komponen mikro lainnya seperti kasium, zat besi, kalium dan magnesium dibutuhkan dalam jumlah sekitar 10 20 mg/L. Beberapa komponen mikro sangat penting untuk aktifitas enzim. Seperti senyawa besi yang digunakan enzim sebagai oksidasi reduksi terutama sitokrom, potassium dibutuhkan bagi enzim yang berperan dalam sintesis protein. Peran dari komponen mikro lain adalah: magnesium yang berperan dalam menstabilisasi dan menjaga ketangguhan dinding sel dan membran, natrium dan potassium digunakan dalam kemo-osmotik dalam pemompaan energi. Trace ElemenTrace elemen meliputi kobalt, tembaga, mangan, molybdenum, nikel,selenium dan seng. Unsur unsur ini biasanya diperlukan pada konsentrasi 0,1 1 mg/L atau kurang untuk beberapa enzim tertentu. Nilai ini dapat dipenuhi dari suplai air yang ada dan dari kontaminan pada media. Setiap mikroorganisme memiliki kebutuhan nutrisi yang berbeda beda. Sebagian bakteri dapat tumbuh pada media yang mengandung sumber energy, karbon dan komponen mineral. Mikroorganisme yang dapat hidup pada kondisi minimal lingkungan ini disebut sebagai orgnanisme prototroph. Beberapa organisme membutuhkan zat organik lain untuk dapat tumbuh, seperti asam amino atau vitamin. Organisme seperti ini dinamakan sebagai organisme auksotrof. Penyerapan NutrisiNutrisi dari lingkungan dipindahkan melewati membrane sel ke dalam sel. Beberapa nutrisi diserap dengan difusi pasif yang tidak memerlukan carrier (pembawa). Biasanya nutrisi tersebut dapat larut dalam lemak dan masuk ke membrane hidrofobik seperti gliserol dan urea. Namun mekanisme yang terjadi tidak efisien karena laju penyerapan tergantung pada besarnya konsentrasi gradient yang melewati membrane. Sebagian larutan dibawa melalui mekanisme aktif spesifik karena membrannya permeable. Lingkungan alam dengan konsentrasi nutrisi yang rendah biasanya juga terdapat microorganism. Akibatnya, microorganism tersebut dapat larut melawan konsentrasi gradient karena memiliki konsentrasi senyawa intraselular yang lebih tinggi daripada tingkat lingkungan. Protein pembawa tersebut dalam difusi tidak memerlukan masukan langsung dari energy karena didorong oleh konstentrasi gradient melewati membrane secara reversible. Namun nutrisi diserap kedalam sel saat melakukan metabolism sehingga konsentrasi intraselular tidak meningkat. Mekanisme tersebut sering terjadi pada prokariot untuk membawa kelompok zat terlarut seperti gula dan asam amino. Mekanisme transport aktif membiarkan akumulasi bahan terhadap konsentrasi gradient saat lingkungan pada tingkat nutrisi rendah. Beberapa system mengakumulasikan 100 1000 kali lebih besar dari konsentrasi eksternal. Namun mekanisme ini membutuhkan input langsung dari energy metabolic, ATP atau gradient proton untuk mendorong transportasi. Dengan proton, nutrisi yang masuk ke dalam sel ditransportasikan oleh proton dan biasanya disebut simport. Proton juga digunakan untuk membiarkan ion natrium melewati membrane. Ion natrium meninggalkan sel dan digantikan oleh proton, proses tersebut disebut antiport.Beberapa komponen dapat dimodifikasi selama uptake. Contohnya gula, dapat difosforilasi menggunakan fosfoenolpiruvat (PEP) sebagai donor fosfat yang disebut sebagai grup translokasi. Ketika konsentrasi nutrisi sangat rendah selama fase diam (stationary) pada kultur batch, beberapa organisme menghasilkan metabolit sekunder.Pemanfaatan Bahan dengan Berat Molekul TinggiPemanfaatan substrat polimer (polisakarida, protein, dan lipid) membutuhkan aktivitas tambahan. Protozoa dan organism eukariot lainnya yang tidak mempunyai dinding sel dapat mencerna makanan berukuran besar dari lingkungan melalui fagositosis ke dalam vakuola. Kemudian enzim hidrolitik disekresikan ke dalam vakuola untuk memecah polimer menjadi monomer. Untuk organisme yang mempunyai dinding sel kaku, mereka harus mensekresikan enzim hidrolitik ekstraselular langsung ke lingkungan dan kemudian mengambilnya sebagai hasil hidrolisis. Kinetika Pertumbuhan MikrobaPertumbuhan mikroba dapat didefinisikan sebagai penambahan komponen, hasil dari pembesaran sel dan pembelahan sel. Meskipun, dibawah keadaan tertentu pertumbuhan sel dapat terjadi tanpa pembelahan sel, contohnya, ketika sel mensintesis senyawa cadangan. Pada keadaan tersebut jumlah sel tetap tetapi konsentrasi biomass bertambah. Keadaan tersebut juga terjadi pada fungi, hasil dari pertumbuhan mereka hanya menambah ukuran mereka.Pertumbuhan kinetik pada kultur suspense uniselular homogen dapat dicontohkan menggunakan persamaan diferensial dalam rangkaian kesatuan model. Meskipun pertumbuhan organisme berfilamen dan pertumbuhan pada sel heterogen lebih kompleks, tetapi pada faktanya, sistem heterogen membutuhkan pendekatan yang sangat berbeda yaitu menggunakan automaton selular dan model sistem Swarm.Model pertumbuhan yang akan diuji adalah pembelahan biner pada bakteri dalam kultur suspensi homogen, di mana pembelahan sel menghasilkan sel kembar identik.Waktu generasi (td) adalah waktu yang dibutuhkan mikroba untuk menggandakan populasinya. Secara teori, setelah satu generasi, baik populasi sel mikroba maupun konsentrasi biomasnya menjadi dua kali lipatnya, meskipun pada keadaan sebelumnya biomas bertambah dan jumlah sel tetap. Waktu generasi mencatat selama pertumbuhan mikroba pada keadaan sebenarnya dan dapat diketahui bahwa se tidak mengalami pembelahan pada laju yang sama. Pada suatu waktu, ada sel yang berada pada tahap berbeda dari siklus selnya. Keadaan tersebut disebut pertumbuhan asynchronous. Pada keadaan tertentu, pertumbuhan synchronous dapat terjadi sehingga semua sel mengalami pembelahan secara bersamaan. Keadaan tersebut sangat bermanfaat dalam penelitian fisiologi mikroba.Fermentasi mikroba dapat dilakukan pada kondisi yang berbeda, misalnya pada pertumbuhan batch, pertumbuhan fed-batch, atau pertumbuhan berkelanjutan. Pertumbuhan batch menggunakan sitem tertutup, dimana semua nutrisi pada awal fermentasi, voulumenya tetap, selanjutnya yang ditambahkan mungkin hanya asam atau basa, untuk mengontrol Ph. Dalam fed-batch sistem, freshmedium, atau komponen medium, diberi makan secara terus menerus, dan sesekali diberi suplemen tunggal, sehingga volume dari batch meningkat, seiring berjalannya waktu. Fermentasi berkelanjutan adalah sistem terbuka, dimana medium segar dimasukkan ke dalam vessel fermentasi secara terus menerus. Tapi volumenya konstan dan sel-selnya akan menghilang pada waktu yang sama.Batch grow (pertumbuhan Batch) Selama fermentasi batch , populasi mikroorganisme mengalami beberapa fase pertumbuhan yang berbeda: lag, akselerasi, pertumbuhan eksponensial, perlambatan, stasioner (diam dan mati (Gambar. 2.1). Pada fase lag hampir tidak ada pertumbuhan yang terjadi dan populasi mikroba tetap /relatif konstan. Tetapi, hal tersebut merupakan waktu untuk aktivitas metabolik sebagai inokulum mikroba beradaptasi dengan lingkungan baru. Ketika sel-sel diinokulasi ke dalam fresh media mereka mungkin akan kekurangan enzim, vitamin atau kofaktor, dll, yang harus disintesis agar mendapatkan nutrisi yang tersedia.Komposisi zat kimia dari media fermentasi mempengaruhi lamanya fase lag. Hal ini biasanya lebih lama terjadi jika inokulum ditanam dengan menggunakan sumber karbon yang berbeda dari freshmedia, karena sel harus mensintesis enzim yang diperlukan untuk mengkatalisis substrat baru. Physiological stress mungkin juga berpengaruh, terutama karena sel sering ditransfer dari media inokulum bertekanan osmotik rendah (konsentrasi zat terlarut rendah) ke fresh media bertekanan osmotik yang lebih tinggi (konsentrasi zat terlarut tinggi). Faktor-faktor lain yang mempengaruhi panjang dari fase lag adalah usia sel, konsentrasi, viabilitas dan morfologi inokulum.

Laju perubahan biomas = dx/dt = xSetelah sel telah beradaptasi dengan lingkungan baru mereka memasuki fase percepatan. Pembelahan sel terjadi dengan meningkatnya frekuensi hingga mencapai pertumbuhan maksimum (max). Pada titik ini pertumbuhan eksponensial dimulai dan peningkatan jumlah sel / biomass terjadi secara konstan. Secara matematis, pertumbuhan eksponensial ini dapat dijelaskan dengan dua metode; satu terkait dengan biomassa (x) dansatunya lagi terkait jumlah sel (N). (1)Di mana: x = konsentrasi biomass (g/L), = laju pertumbuhan spesifik (per jam) dan t = waktu (jam)Untuk biomassa sel, Pertumbuhan dapat dianggap sebagai reaksi autokatalitik. Oleh karena itu, tingkat pertumbuhan tergantung pada konsentrasi biomassa , seperti katalis, yang ada pada setiap waktu. Hal ini dapat digambarkan sebagai berikut:

Ketika grafik dibuat antara biomassa sel terhadap waktu, produk adalah kurva dengan kemiringan yang terus meningkat .Persamaan (1) juga dapat disusun kembali untuk memperkirakan laju pertumbuhan spesifik (m):

= 1/x x dx/dtlaju spesifik pertumbuhan ():(2)

xt = xoetdapat diintegralkan untuk mendapatkan persamaan berikut

ln xt = ln xo + tPersamaan (3) diubah kedalam bentuk logaritme asli :(4)Pendekatan kedua adalah untuk memeriksa pertumbuhan terhadap jumlah sel, di mana jumlah sel pada awal eksponensial N0 .Jika kita mengganti hypothetical case di mana populasi sel mikroba pada pertumbuhan eksponensial adalah satu (N0 = 1), kita dapat menggambarkan pembelahan biner sebagai berikutJumlah pembelahan012nJumlah sel1242nSecara matematikNoNo2No2 x 2No2nOleh karena itu, pertumbuhan eksponensial dapat dirumuskan sebagai berikut:

Nt = No 2n(5)

ln Nt = ln No + n ln 2diubah dalam bentuk logaritma asli:(6)Selama pertumbuhan eksponensial, ketika semua nutrisi yang ada berlebih dan tidak terbatas, ada hubungan langsung antara jumlah sel dan konsentrasi biomassa, dengan asumsi ukuran sel tetap.maka terjadi pertumbuhan yang seimbang, dan hubungan antara laju pertumbuhan dan waktu penggandaan juga dapat ditentukan. Namun, dalam kondisi di mana unsur hara terbatas, pertumbuhan tidak seimbang muncul, dan terjadi variasi dalam jumlah sel (N) dan konsentrasi biomassa (x), seperti pada sintesis penyimpanan senyawa sel.Dapat diprediksi bahwa pertumbuhan akan terjadi tanpa batas. Namun, selama pertumbuhan batch ,mikroorganisme terus melakukan proses metabolisme dengan nutrisi yang tersedia terbatas dalam fermentasi. Setelah waktu tertentu tingkat pertumbuhan menurun dan akhirnya berhenti. penghentian pertumbuhan ini dapat disebabkan oleh menipisnya nutrisi (sumber karbon, asam amino esensial, dll) atau adanya toxic, seperti etanol dan asam laktat, atau kombinasi dari deplesi nutrisi dan akumulasi toxic. Persamaan (1), laju perubahan biomassa (dx/dt=x) memperkirakan bahwa pertumbuhan akan terjadi tak terbatas. Namun selama pertumbuhan secara batch microorganism akan terus bermetabolisme untuk menyediakan nutrisi yang terbatas pada fermentasi. Selama waktu tertentu tingkat pertumbuhan menurun dan akhirnya berhenti. Penghentian pertumbuhan ini disebabkan oleh semakin sedikitnya nutrisi penting (sumber karbon, asam amino esensial, dll) atau membentuk metabolis yang beracun seperti etanol dan asam laktat atau gabungan penurunan nutrisi dan penumpukan toksin. Monod menunjukkan bahwa laju pertumbuhan konsentrasi fungsi hiperbolik diperkirakan memiliki nutrisi yang terbatas seperti gambar berikut :

Huungan Konsentrasi Substrat dan Laju Pertumbuhan SpesifikDampak dari penurunan nutrisi pada pertumbuhan dapat dijelaskan secara matematis oleh persamaan Monod yang biasanya juga digunakan dalam biokimia, dimana kinetika Michaelis Menten menentukan laju enzim sebagai katalis terhadap konsentrasi substratnya :

Dimana max merupakan pertumbuhan spesifik maksimum (per jam) dari sel, artinya konsentrasi substrat tidak terbatas; S = konsentrasi substrat limit (g/L); Ks = konstan saturasi (kejenuhan), konsentrasi nutrisi yang terbatas (g/L) memungkinkan tumbuh pada setengah laju maksimum pertumbuhan spesifik ( = max) , yaitu ukuran dari afinitas sel untuk nutrisi tersebut.Ketika mikroorganisme dengan konsentrasi limit substrat lebih besar daripada Ks dan nutrisi lain berlebihan, maka mikroorganisme akan tumbuh secara eksponensial pada laju maksimum .Namun, ketika substrat menurun menjadi terbatas dan tidak bisa mempertahan max. Hal tersebut merupakan awal dari fase deselerasi (perlambatan). Limit substrat mendekati Ks sebagai konsentrasi residu akan menurun konsentrasinya yang disertai dengan penurunan laju pertumbuhan (). Afinitas yang rendah pada limit substrat (Ks tinggi) maka laju pertumbuhan akan mengalami penurunan pada konsentrasi substrat yang relative tinggi dan organisme menunjukkan fase perlambatan.Laju pertumbuhan spesifik microorganism akan terus melakukan perlambatan hingga semua limit substrat bermetabolisme. Pertumbuhan tidak akan berlanjut ketika sel sel memasuki fase stasioner,laju pertumbuhan secara keseluruhan teah menurun hingga nol dan tidak ada perubahan bersih pada jumlah sel / biomass (laju pembelahan sel sama dengan laju kematian sel). Lama dalam fase stationer tergantung pada mikroorganisme dan kondisi lingkungannya. Sel yang tidak dapat bertahan oleh pembentukan spora akan diikuti dengan fase kematian eksponensial, yaitu sel sel mati pada laju konstan dan mengalami lisis.