A. Produksi Protein Sel Tunggal Pada Mikroba Tanpa Befotosintesa

Mikroba tidak berfotosintesa yang dibiakkan untuk memproduksi

protein sel tunggal ialah seperti bakteri, kapang, ragi, dan jenis jamur lain.

Mikroba ini hidup aerobosis dan karena itu harus cukup suplai oksigen agar

bisa tumbuh karena termasuk karbon organis dan sumber energi. Selain itu juga

merupakan sumber nitrogen, fosfor, sulfur, dan unsur mineral, yang

sebelumnya disebut-sebut hanya diperlukan untuk pertumbuhan ganggang.

Pengubahan senyawa organik menjadi protein sel tunggal oleh mikroba

yang tidak berfotosintesa dapat dibuat skemanya dengan persamaan reaksi

berikut :

Karbon organik + nitrogen + mineral bahan nutrisi + oksigen → Protein sel

tunggal + karbon dioksida + air panas

1. Bakteri

Banyak spesies bakteri yang baik untuk memproduksi protein sel

tunggal. Salah satu ciri bakteri yang cocok untuk ini ialah tumbuhnya

cepat, waktu berbiakannya pendek, masa selnya kebanyakan dapat jadi dua

kali lipat dalam waktu 20 menit sampai 2 jam. Sebagai bandingan, waktu

berbiak ragi adalah 2 sampai 3 jam, dan kapang serta jamur tinggi 4 sampai

16 jam.

Bakteri juga dapat tumbuh pada berbagai bahan mentah, mulai dari

karbohidrat seperti pati dan gula, sampai hidrokarbon dalam bentuk gas

atau cairan seperti metan dan fraksi minyak bumi, sampai pada petrokimia

seperti metanol dan etanol. Sumber nitrogen yang baik bagi pertumbuhan

bakteri ialah seperti amonia, garam aminium, urea nitrat, dan nitrogen

organik dalam limbah. Harus ada tambahan bahan mineral ditambahkan ke

dalam pembiakan, agar bahan nutrisi dapat menutupi kekurangan yang

dalam air alami mungkin kadarnya tidak cukup menunjang pertumbuhan.

Spesies bakteri yang tampaknya lebih banyak memproduksi protein

sel tunggal, paling baik tumbuh dalam media yang sedikit asam netral,

dengan pH 5 sampai 7. Bakteri itu juga harus dapat toleran terhadap suhu

dalam rentang 35 sampai 45° C, karena panas dilepaskan selama bakteri itu

tumbuh. Menggunakan strain yang toleran terhadap suhu akan menghemat

banyak sekali biaya untuk mendinginkan air. Pembiakan harus dijaga agar

selalu dingin, karena fermentasi disini perlu suhu rendah. Spesies bakteri

tak dapat digunakan untuk memproduksi protein sel tunggal, jika itu

bersifat patogen bagi tumbuhan, hewan, atau manusia.

Protein sel tunggal dalam bakteri dapat dihasilkan dengan sistem

adonan konvensional. Dalam sistem ini semua bahan nutrisi dimasukan

sekaligus kedalam fermentor. Sel-sel dipanen jika mereka menggunakan

bahan nutrisi dan berhenti tumbuh. Namun dalam metoda produksi yang

lebih maju, bahan nutrisi disuplai dengan sistem kontinyu (terus-menerus),

yang konsentrasinya sesuai dengan yang diperlukan untuk menunjang

pertumbuhan bakteri. Lalu sel-sel pun dipanen terus-menerus dengan

populasinya telah mencapai kerapatan yang diperlukan.

Adonan konsentrasi karbon dan sumber energi biasanya berkisar

antara 2 dan 10 persen. Dalam sistem yang kontinyu suplai sumber karbon

diatur sehingga konsentrasi dalam media tumbuh tidak melebihi yang

diperlukan bagi pertumbuhan selbakteri. Konsentrasi ini biasanya akan

lebih rendah daripada yang digunakan dalam sistem adonan.

Menjaga agar suasana steril selama memproduksi protein sel

tunggal, sangat penting, karena mikroba pencemar akan tumbuh sangat

cepat dalam media kultur. Udara masuk, media bahan nutrisi dan alat

fermentasi, harus disterilkan dalam seluruh proses protein sel tunggal

dalam bakteri. Suasana steril pun harus terus dijaga selama seluruh

kegiatan produksi.

2. Ragi

Ragi dapat ditumbuhkan pada beberapa macam substrat, meliputi

karbohidrat, baik yang kompleks seperti pati, maupun sederhana seperti

gula glukosa, suklrosa, dan laktosa. Selain itu sumber karbon, sumber

nitrogen diperlukan pula. Nitrogen diperoleh dengan menambahkan amonia

atau garam amonium ke media kultur. Bahan mineral juga perlu sebagai

tambahan.

Kebutuhan untuk memproduksi protein sel tunggal oleh ragi sama

dengan yang diuraikan untuk memproduksinya oleh bakteri. Ragi harus

memiliki waktu tumbuh sekitar 2 sampai 3 jam. Ia juga harus toleran

terhadap pH dan suhu. Secara genetis juga harus stabil, sehingga hasilnya

memuaskan. Tidak pula menyebabkan penyakit pada tumbuhan, hewan,

atau manusia.

Teknologi untuk memproduksi protein sel tunggal pada ragi juga

sama dengan pada bakteri. Fermentor yang tangkainya dilengkapi dengan

kincir pengaduk merupakan macam wadah yang paling banyak dipakai

untuk menghasilkan protein sel tunggal pada ragi, tapi fermentor

pengapungan udara dapat juga digunakan. Seperti pada kultur bakteri,

panas pun dilepaskan selama pertumbuhan ragi, dan fermentor haruslah

dilengkapi dengan sistem pendingin.

Fermentasi ragi dapat beroperasi dalam sistem adonan atau sistem

kontinyu atau dengan cara yang disebut “adonan yang disuplai bahan

nutrisi”. Pada adonan yang disuplai bahan nutrisi, makanan substrat dan

bahan nutrisi lain ditambahkan secara berangsur, yang jumlahnya cukup

untuk kebutuhan tumbuh ragi. Sementara itu harus dijaga agar konstrasi

bahan nutrisi setiap waktu selalu rendah. Metoda ini menghasilkan 3,5

sampai 4,5 persen produk berat kering, dibandingkan dengan 1,0 sampai

1,5 produk berat kering yang dihasilkan dengan sistem adonan. Sel yang

dihasilkan dengan sistem adonan yang disuplai bahan nutrisi dipanen

dengan cara seperti halnya jika diproduksi dengan adonan biasa.

Meskipun kultur sistem adonan dan sistem adonan yang diberi

bahan nutrisi telah digunakan dalam memproduksi ragi roti selama

bertahun-tahun, namun baru  belakangan dapat dimonitor. Dengan

demikian, pH dan konsentrasi susbtrat disesuaikan dengan operasi sistem

kontinyu. Konsentrasi sel ragi sampai 16 persen (berat kering) diperoleh

dengan kultur sistem kontinyu.

Ragi memiliki keuntungan dibandingkan dengan bakteri untuk

memproduksi protein sel tunggal. Salah satu diantaranya, karena ragi

toleran terhadap lingkungan yang lebih asam, dengan pH berkisar antara

3,5 dan 4,5 bukan agak netral seperti yang diperlukan bakteri. Akibatnya,

proses ragi dapat berlangsung dalam media bersih tanpa harus steril, pada

pH 4,0 sampai 4,5. ini karena kebanyakan bakteri pencemar tak dapat

tumbuh dengan baik dalam media asam ini. Selain itu, diameter sel ragi

adalah sekitar 0,0005cm, dibandingkan dengan bakteri 0,0001 cm. Karena

besarnya, ragi itu dapat dipisahkan dari media tumbuh dengan cara

sentrifugal, tanpa memerlukan tahap penggumpalan.

Produksi protein sel tunggal pada ragi tergantung pada dipenuhinya

kebutuhan oksigen kultur yang sedang tumbuh dengan cara sentrifugal,

tanpa memerlukan tahap penggumpalan. Produksi protein sel tunggal pada

ragi tergantung pada dipenuhinya kebutuhan oksigen kultur yang sedang

tumbuh. Ragi yang tumbuh pada karbohidrat biasanya memerlukan sekitar

1 kilogram berat kering sel dan jika ditumbuhkan pada hidrokarbon

diperlukan sekitar dua kali lebih banyak. Udara, yang disterilkan melalui

suatu filter, dimasukkan ke dalam fermentor melalui layar atau pipa yang 

berlobang-lobang pada dasar wadah, atau dengan pemasukan udara lewat

roda berputar, atau juga memalui pengapung udara, seperti digunakan

untuk mengkultur sel bakteri.

Protein sel tunggal pada ragi dapat dihasilkan dalam suasana steril,

maupun dalam suasana bersih tapi tak steril. Pada adonan biasa, atau

adonan yang disuplai bahan nutrisi yang tidak perlu steril, sumber

energinya dipakai karbohidrat. Media disterilkan dengan cara mengalirkan

melalui pertukaran panas, lalu dimasukkan ke dalam fermentor yang bersih.

Pengontrolan pencemaran dilakukan ke dalam fermentor yang bersih.

Pengontrolan pencemaran dilakukan dengan mengatur pH media pada 4,0

sampai 5,0, pemasukan udara yang steril, dan besar populasi mikroba

pencemar yang sedikit. Pada beberapa fermentasi ragi sistem kontinyu yang

menggunakan hodrokarbon atau etanol sebagai substrat, perlu suasana steril

sempurna, agar didapat hasil memuaskan dan bermutu.

3. Kapang dan Jamur Tinggi

Banyak macam jamur tinggi yang dimakan manusia. Cendawan

yang biasa dijual dipasar, Agaricus campestris adalah satu contoh.

Cendawan ini ditumbuhkan pada manur (kotora kandang ternak) atau

kompos. Orang jepang menanam cendawan shiitake, Cortinelhus

berkelyanus pada balok jenis kayu tertentu yang telah diinokulasi dengan

suspense spora jamur. Di Cina, jamur merang Volvaria volvacea dibiakan

pada jerami padi yang dibasahi, setelah diinokulasi dengan spora jamur ini..

Banyak bahan makanan yang diragikan, seperti beras, ikan, kedelai

yang dihasilkan di Asia dengan bantuan kapang. Kapang lain yang

berperan dalam menu manusia ialah seperti Trichosporon pullulans, yang

biasa ditanam orang selama perang dunia I. kapang ini ditanam pada wadah

yang berisi media cair yang mengandung gula. Mycelium, yaitu, jalinan

benang yang terbentuk ketika kapang itu tumbuh dan kaya akan lemak, lalu

dipanen, dan dipakai sebagai saus.

Produksi protein sel tunggal pada kapang sekarang ini memakai

metoda yang sama dengan yang dipakai untuk membuat bahan sama pada

ragi. Gula sederhana atau bahan mentah yang mengandungnya cocok

sebagai substrat bagi berbagai macam kapang. Konsentrasi karbohidrat

dalam media biakan biasanya sekitar 10 persen. Sebagai  sumber nitrogen

dan tambahan mineral yang dimasukkan kedalam media, biasa dipakai

amonia atau garam amonium.

Angka pertumbuhan kapang dan jamur  tinggi yaitu waktu tumbuh

antara 4 sampai 16 jam, biasanya lebih rendah daripada bakteri dan ragi.

Kapang dan jamur tinggi tumbuh subur pada suhu 25 sampai 360C dan

pada pH 3,0 sampai 7,0. Namun kebanyakan ditanam pada pH dibawah 5,0.

Ini perlu untuk mengurangi sebanyak mungkin pencemaran bakteri.

Sistem adonan atau sistem gabungan adonan yang diberi bahan

nutrisi, atau system kontinyu, dapat diapakai untuk memproduksi protein

sel tunggal. Kebanyakan pada proses dengan system adonan, akan

mendapat hasil paling baik jika fermentornya diberi udara secara

konvensional. Operasinya dilakukan dalam suasana steril jika produk itu

untuk makan manusia. Tapi, jika untuk konsumsi hewan, dapat diproduksi

dalam lingkungan bersih tanpa harus disterilkan. Seperti fermentasi lain,

pendinginan harus dilakukan pula, untuk mengimbangi panas yang

terbentuk selama pertumbuhan kapang.

Kapang dan jamur tinggi, jika dikultur dalam fermentor yang diberi

udara, dapat tumbuh dalam bentuk benang atau pellet, tergantung pada

spesies yang ditanam dan suasana pemberian udara.

Ini dapat menyederhanakan cara pengambilan produknya, karena

mycelium yang berbnetuk benang atau pellet dapat dengan mudah

dipisahkan dari media dengan cara menapis atau dengan menggunakan

saringan vakum yang berputar, atau dengan saringan yang bertekanan biaya

rendah. Namun tangki yang diaduk secara mekanis tidak cocok bagi

pertumbuhan mirkoba, karena benang kapang dapat terkonsentrasi sekitar

pengaduk dan tidak tersebar rata pada seluruh media kultur. Penggunaan

fermentor yang didalamnya pemberian udara juga bertindak sebagai

pengaduk dapat mencegah masalah ini.

Beberapa perusahaan telah mengembangkan proses untuk

memproduksi protein sel tunggal pada kapang. Di inggris, Ranks Hovis

McDougall Ltd membuat produk yang disebut Mycoprotein pada kapang

Fusarium graminearum, untuk dipasarkan sebagai makanan manusia.

Sumber energy untuk makanan kapang itu adalah glukosa, dan waktu

tumbuhnya sekitar 5,5 jam. Hasilnya sekitar 0,5 kilogram berat kering sel

untuk tiap kilogram gula yang terpakai.

Bahan perlu diolah lagi untuk menurunkan kadar asam ribonukleat

yang dikandungnya, karena konsumsi bagi orang jika lebih dari 2 gram/hari

dapat menimbulkan sakit batu ginjal atau encok. Setelah disaring,

lempengan mycelium benang dapat ditandai dari baunya yang harum, dan

dibuat menjadi produk yang mirip dengan daging ayam yang putih, dengan

kadar protein 45%. Kapasitas pabrik Ranks Hovis McDougall itu sekitar 50

sampai 100 ton tiap tahun. Namun kini produk ini hanya menghasilkan

sedikit untuk pengamatan uji pasar di inggris.

Pada tahun 1960-an berbagai proses dikembangkan untuk

memproduksi mycelium cendawan yang digunakan sebagai bumbu

pengharum makanan. Banyak diantara pabrik jamur itu, bukan hanya

sebagai sumber protein sel tunggal, tetapi juga untuk membantu

membersihakn ampas dari tempat pemrosesan makanan dan industry

(ICAITI) di Guatemala telah menyelidiki penggunaan jamur Trichoderma

harzianum untuk membersihkan ampas dari limbah pabrik pemrosesan

kopi di El Salvador, sementara itu didapat protein sel tunggal untuk

tambahan hewan. System itu beroperasi dalam suasana non-steril.

Kandungan produk mikroba dalam 24 jam meningkat menjadi 3,2

gram per liter dan mengandung 56% protein berat kering. Proyek

percobaan ini telah beroperasi sebagai unit percontohan.

Di Finlandia, the Finnish pulp and paper research institute dan

Tampela telah bekerja untuk mengembangkan proses ‘pekilo’, dengan

menggunakan jamur Paecilomyses varioti, dengan cairan limbah sulfit

sebagai medianya. Dengan demikian ini juga dapat mengurangi

pencemaran lingkungan. Fermentasi itu menghasilkan hampir 3 gram

mycelium jamur per liter media tumbuh tiap jam. Protein sel tunggal

didapat dengan cara menyaring, lalu dicuci dan dkeringkan. Produk itu

dapat dipakai sebagai makanan hewan, memiliki kandungan protein 55

sampai 60%. Pabrik milik Finlandia itu memiliki kapasitas produk 10.000

ton tiap tahun, suatu kemampuan yang membuat pabrik itu menjadi

produsen terbesar protein sel tunggal pada jamur. Namun, suasana ekonomi

sekarang tidak memungkinkan untuk terus memproduksi protein pekilo itu.

Pemanfaatan limbah pertanian, kehutanan atau pemprosesan

makanan sebagai makanan hewan, dapat uga ditingkatkan dengan

penanganan substrat padat bagi jamur.dalam operasi ini, airnya dkeluarkan

dari substrat limbah. Sehingga terbentuk media setengah padat dengan

kelembaban 50 sampai 80%. Sebagai sumber nitrogen dan fosfor,

dimasukkan pupuk komersial.

Pengamat di Universitas Waterloo di Ontario, kanada, membuat

satu metoda untuk menggunakan jamur Chaetomium cellulolyricum untuk

mengubah karbohidrat dari selulosa yang terdapat dalam limbah pertanian,

kehutanan, atau pabrik kertas, menjadi produk protein sel tunggal.

Envirocon Ltd telah membangun satu pabrik percontohan di Vancouver,

Columbia inggris, berdasarkan proses yang dibuat di Waterloo, dan

memiliki kapasitas untuk memproduksi 1 ton protein sel tunggal tiap hari.

Bubur limbah pabrik pulp yang telah di sterilkan, di inkubasi dengan

C.cellulolyticum. kedalam fermentor dimasukkan pula bahan nutrisi tambahan

secukupnya. Fermentor ini berkapasitas 1.400 liter tiap 24 jam. Produk dari

fermentor ini lalu dipindahkan ke fermentor kedua, dengan kapasitas 14.000 liter.

Setelah 36 jam fermentasi selesai, dan produknya dipanen secara kontinyu. Untuk

tiap fermentor rata – rata didapat 0,5 kilogram protein sel tunggal, dan

mengandung 42% protein.