KATA
PENGANTAR
Puji
Syukur diucapkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan
rahmat dan karunia-Nya kepada saya penulis,sehingga
makalah ini dapat diselesaikan sesuai dengan jadwal.makalah ini yang merupakan salah satu tugas
mata kuliah biologi tentang teknologi Fermentasi dan manfaatnya bagi biotik. Penyusunan
makalah ini tentunya tidak akan terwujud tanpa adanya
bantuan dari berbagai pihak. Dengan selesainya makalah ini, maka pada
kesempatan ini peneliti mengucapkan terimakasih kepada Bu Ribo, dosen pengampu
mata kuliah Belajar dan Biologi. Ayah dan Ibu tercinta yang selalu memberikan
motivasi kepada kami baik moril maupun materil sehingga terselesainya makalah ini dan Teman-teman STKIP
YPM Bangko.
Peneliti
berharap, dengan membaca makalah
ini dapat memberi manfaat bagi kita semua, dalam hal ini dapat menambah wawasan
kita mengenai tentang Evaluasi Belajar dan pembelajaran khususnya bagi penulis. Penulis menyadari bahwa makalah ini masih banyak kekurangan, untuk itu kritikan
dan saran yang bersifat membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan makalah ini.
Bangko, 30 Maret 2015
Penulis
BAB
I
PENDAHULUAN
A. LATAR
BELAKANG MASALAH
Fermentasi dapat digolongkan kedalam salah
satu bioteknologi dalam bidang pangan. Pengolahan makanan dan bahan makanan
mealui bioteknologi menghasilkan aneka macam pangan dan bahan pangan hasil
fermentasi yang digunakan secara luas. Arti kata fermentasi selama ini berubah-ubah.
Kata fermentasi berasal dari Bahasa Latin “fervere” yang berarti merebus (to
boil). Arti kata dari Bahasa Latin tersebut dapat dikaitkan dengan kondisi
cairan bergelembung atau mendidih. Keadaan ini disebabkan adanya aktivitas ragi
pada ekstraksi buah-buahan atau biji-bijian. Gelembung-gelembung karbondioksida
dihasilkan dari katabolisme anaerobik terhadap kandungan gula.
Perkembangan
fermentasi diawali saat Pasteur melakukan penelitian mengenai penyebab
perubahan sifat bahan yang difermentasi,sehingga dihubungkan dengan
mikroorganisme dan akhirnya dengan enzim. Dan dilanjutkan oleh , Eduard
Buchner, pemenang Nobel Kimia tahun
1907,menunjukkan bahwa fermentasi dapat berlangsung dalam larutan gula dengan
menggunakan cairan yang diekstraksi dari sel – sel khamir yang telah mati.
Meskipun
fermentasi sering dihubungkan dengan pembentukan gas yang disebabkan oleh
mikroorganisme yang hidup, pada saat ini pembentukan gas maupun terdapatnya sel
mikroorganisme hidup tidak merupakan kriteria yang esensial. Dalam beberapa
proses fermentasi misalnya fermentasi asam laktat, tidak ada gas yang
dibebaskan. Fermentasi dapat juga berlangsung (meskipun jarang terjadi) dengan
menggunakan ekstrak enzim yang berfungsi sebagai katalisator reaksi.
B.
RUMUSAN
MASALAH
1.
Bagaimana sifat – sifat dari
fermentasi ?
2.
Bagaimana prinsip kultivasi mikroba
dalam sistem cair?
3.
Bagaimana desain bioreactor ?
BAB II
PEMBAHASAN
(Teknologi
Fermentasi Dan Manfaat Bagi Biotik)
A. Pengertian
Fermentasi adalah proses yang memanfaatkan kemampuan
mikroba untuk menghasilkan metabolit primer dan metabolit sekunder dalam suatu
lingkungan yang dikendalikan. Fermentasi merupakan bentuk penerapan atau
aplikasi tertua dari bidang bioteknologi. Pada mulanya istilah fermentasi
digunakan untuk menunjukkan proses pengubahan glukosa menjadi alkohol yang
berlangsung secara anaerob. Bangsa Somaria dan Babilon kuno sudah mengkonsumsi
minuman beralkohol seperti bir sejak 6000 tahun sebelum masehi. Bangsa Mesir
sudah mulai membuat adonan Kue Asam sejak tahun 4000 sebelum masehi. Sedangkan
di negara-negara Eropa, minuman anggur sudah dikenal jauh dimasa lalu dan
dibuat melalui proses fermentasi
Fermentasi merupakan proses pengubahan bahan organik
menjadi bentuk lain yang lebih berguna dengan bantuan mikroorganisme secara
terkontrol. Mikroorganisme yang terlibat diantaranya adalah bakteri, protozoa,
jamur atau kapang atau fungi dan, ragi atau yeast. Contoh proses fermentasi
adalah pembuatan tape, tempe, kecap, oncom, roti, brem, keju, dan yogurt.Untuk
menghasilkan suatu produk fermentasi tertentu, dibutuhkan kondisi fermentasi
dan jenis mikroba dengan karakteristik tertentu juga. Oleh karena itu,
diperlukan keadaan lingkungan, substrat (media), serta perlakuan (treatment)
yang sesuai sehingga produk yang dihasilkan menjadi optimal.
Fermentasi merupakan suatu cara untuk mengubah substrat menjadi produk
tertentu yang dikehendaki dengan menggunakan bantuan mikroba. Produk-produk
tersebut biasanya dimanfatkan sebagai minuman atau makanan. Fermentasi suatu
cara telah dikenal dan digunakan sejak lama sejak jaman kuno. Sebagai suatu
proses fermentasi memerlukan:
Mikroba
sebagai inokulum
Tempat
(wadah) untuk menjamin proses fermentasi berlangsung dengan optimal.
Substrat
sebagai tempat tumbuh (medium) dan sumber nutrisi bagi mikroba.
B. Sifat Fermentasi
Fermentasi terbagi dua tipe berdasarkan tipe kebutuhan akan
oksigen yaitu tipe aerobic dan anaerobic.
1.
Tipe
Fermentasi Aerobik
Adalah
fermentasi yang pada prosesnya memerlukan oksigen. Semua organisme untuk
hidupnya memerlukan sumber energi yang diperoleh dari hasil metabolisme bahan
pangan, dimana organism itu berada. Mikroorganisme adalah organisme yang
memerlukan energi tersebut. Bahan energi yang paling banyak digunakan
mikroorganisme untuk tumbuh adalah glukosa. Dengan adanya oksigen maka
mikroorganisme dapat mencerna glukosa menghasilkan air , karbondioksida, dan
sejumlah besar energi.
2. Tipe
Fermentasi Anaerobik
Adalah
fermentasi yang pada prosesnya tidak memerlukan oksigen. Beberapa
mikroorganisme dapat mencerna bahan energinya tanpa adanya oksigen jadi hanya
sebagian bahan energi itu dipecah, yang dihasilkan adalah sebagian dari energi,
karbondioksida dan air , termasuk sejumlah asam laktat , asetat, etanol, asam volatile,alcohol,
dan ester.
Pada tipe – tipe tersebut harus
diperhatikan perubahan secara mikrobiologi dalam makanan dimana mikroba
bersifat fermentatatif dapat mengubah karbohidrat dan turunannya menjadi
alcohol, asam, dan karbondioksida, disusul dengan mikroba proteolitik dapat
memecah protein dan komponen nitriogen kimia, sehingga menghasilkan bau busuk
yang tidak diinginkan. Sedangkan mikroba lipolotik akan menghidrolisa lemak ,
fosfolipid, dan turunannya dengan menghasilakan bau tengik. Bila alcohol dan
asam yang dihasilkan mikroba cukup tinggi, maka pertumbuhan mikroba proteolitik
dan lipolitik dapat dihambat . adi pada prinsipnya fermentasi adalah
menumbuhkan pertumbuhan mikroba pembentukan alcohol dan asam, dan menekan
pertumbuhan mikroba proteolitik dan lipolitik.
Pada fermentasi anaerob, zat-zat organik dikatabolisme
tanpa kehadiran oksigen yang berarti tidak adanya akseptor elektron eksternal
melainkan melalui keseimbangan reaksi oksidasi-reduksi internal. Produk
dihasilkan selama proses penerimaan elektron yang dilepaskan saat pemecahan
zar-zat organik. Oleh karenanya zat-zat organik tersebut berperan sebagai
akseptor dan donor elektron. Pada fermentasi, substrat hanya dioksidasi
sebagian dan oleh karena itu hanya sedikit energi yang bisa dihasilkan. Glukosa
sebagai substrat akan melepaskan elektron saat dirubah menjadi piruvat, namun
elektron tersebut kemudian akan diambil piruvat untuk menjadi etanol
Organisme anaerobik fermentatif biasanya menggunakan
jalur fermentasi asam laktat: C6H12O6 +
2 ADP + 2 fosfat → 2 asam laktat + 2 ATP
Energi yang
dilepaskan pada persamaan ini sekitar 150 kJ per mol, yang disimpan dalam
regenerasi dua ATP dari ADP per glukosa. Ini hanya 5% energi per molekul gula
daripada yang dapat dihasilkan oleh reaksi aerobik. Tumbuhan dan jamur
(contohnya ragi) biasanya melakukan fermentasi alkohol (etanol) ketika oksigen
terbatas melalui reaksi berikut:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 fosfat → 2 C2H5OH + 2 CO2
+ 2 ATP
Energi yang dilepaskan sekitar 180
kJ per mol, yang disimpan dalam regenerasi dua ATP dari ADP per glukosa
Sumber energi dalam kondisi
anaerobik Fermentasi diperkirakan menjadi cara untuk menghasilkan energi pada
organisme purba sebelum oksigen berada pada konsentrasi tinggi di atmosfer
seperti saat ini, sehingga fermentasi merupakan bentuk purba dari produksi
energi sel. Produk fermentasi mengandung energi kimia yang tidak teroksidasi
penuh tetapi tidak dapat mengalami metabolisme lebih jauh tanpa oksigen atau
akseptor elektron lainnya (yang lebih highly-oxidized) sehingga
cenderung dianggap produk sampah (buangan). Konsekwensinya adalah bahwa
produksi ATP dari fermentasi menjadi kurang effisien dibandingkan oxidative
phosphorylation, di mana pirufat teroksidasi penuh menjadi karbon dioksida.
Fermentasi menghasilkan dua molekul ATP per molekul glukosa bila dibandingkan
dengan 36 ATP yang dihasilkan respirasi aerobik.
"Glikolisis aerobik"
adalah metode yang dilakukan oleh sel otot untuk memproduksi energi intensitas
rendah selama periode di mana oksigen berlimpah. Pada keadaan rendah oksigen,
makhluk bertulang belakang (vertebrata) menggunakan "glikolisis
anaerobik" yang lebih cepat tetapi kurang efisisen untuk menghasilkan ATP.
Kecepatan menghasilkan ATP-nya 100 kali lebih cepat daripada oxidative
phosphorylation. Walaupun fermentasi sangat membantu dalam waktu pendek dan
intensitas tinggi untuk bekerja, ia tidak dapat bertahan dalam jangka waktu
lama pada organisme aerobik yang kompleks. Sebagai contoh, pada manusia,
fermentasi asam laktat hanya mampu menyediakan energi selama 30 detik hingga 2
menit.
Tahap akhir dari fermentasi adalah
konversi piruvat ke produk
fermentasi akhir. Tahap ini tidak menghasilkan energi tetapi sangat penting
bagi sel anaerobik karena tahap ini meregenerasi nicotinamide adenine dinucleotide
(NAD+), yang diperlukan untuk glikolisis. Ia diperlukan untuk fungsi
sel normal karena glikolisis merupakan satu-satunya sumber ATP dalam kondisi
anaerobik.
C.
Prinsip
Kultivasi Mikroba Dan Sistem Cair
Mikroba
berada dalam cairan yang mengandung nutrien sebagai substrat untuk tumbuh dan
berkembang bercampur dengan produk-produk yang dihasilkan termasuk limbah. Yang
dimaksud dengan mikroba secara umum, merupakan organisme yang sangat sederhana.
Umumnya bakteri, protozoa, dan beberapa alga serta fungi mikroskopik merupakan
mikroba bersel tunggal. Nutrien dan oksigen yang diperlukan untuk pertumbuhan
optimal mikroba harus tercampur merata (homogen) pada semua bagian fermenter.
Untuk mendapatkan sistem fermentasi yang optimum, maka fermenter harus memenuhi
syarat sebagai berikut:
1. Terbebas dari kontaminan
2. Volume kultur relatif konstan (tidak
bocor atau menguap)
3. Kadar oksigen terlarut harus
memenuhi standar.
4. Kondisi lingkungan seperti: suhu, pH
harus terkontrol. Stirred tank reactor system model yang banyak dipakai.
1). Sterilisasi
Bahan atau peralatan yang dipergunakan kultivasi
mikrobiologi harus dalam keadaan steril artinya bahan atau peralatan tersebut
bebas dari mikroba. Baik yang akan mengganggu media atau menganggu kehidupan
dan proses yang sedang dikerjakan.
Sterilisasi yang umum dilakukan adalah :
a)
Sterilisasi secara fisik
Dengan menggunakan udara panas atau uap air
panas dengan tekanan tinggi. Misalnya dengan penggunaan autoklap dengan
temperatur 121˚C dengan tekanan 15 lbs. Waktu yang diperlukan tergantung banyak
sedikitnya bahan atau medium yang disterilkan, umumnya berkisar antara 15
sampai 20 menit.
b)
Sterilisasi secara kimia
Senyawa kimia yang banyak digunakan adalah
larutan CuSO4, AgNO3, HgCI2, dan ZnO serta alkohol dengan kadar antara 50 – 75%
karena cepat menyebabkan koagulasi protein mikroba. Larutan garam seperti NaCI
(9%), KCI (11%) dan KNO3 (10%) dapat digunakan karena tekanan osmotiknya yaitu
dehidrasi protein pada substrat. Sedang asam kuat dan basa kuat dapat digunakan
karena dapat menghidrolisis isi sel mikroba. Larutan KmnO4 (10%) dan HCI (1,1%)
dapat mengoksidasi substrat. Sedang larutan CuSO4 digunakan untuk algisida.
Khlor dan senyawa khlor digunakan sebagai desinfektan terutama pada tempat
penyimpanan air. Juga larutan formalin atau formaldehida dengan kadar antara 4
-20%.
2)
Nutrisi yang
diperlukan mikroba
Mikroba memerlukan nutrien sebagai sumber materi dan energy untuk
menyusun komponen sel seperti genom, membrane plasma dan dinding sel. Bentuk
nutrient yang diperlukan bermacam-macam, tergantung jenis mikrobanya, misalnya
kebutuhan karbon untuk jasad fotoautotrof dalam bentuk CO2,
sedangkan bagi jasad kemoorganotrof dalam bentuk bahan organic. Dengan
mengetahuia keperluan nutrien mikroba para ilmuwan dapat melakukan penelitian
untuk menentukan peranan mikroba di alam dan kegunaannya dalam kehidupan
manusia
.
3) Kondisi
fisik yang diperlukan untuk pertumbuhan
Selain
menyediakan nutrisi yang sesuai untuk kultivasi bakteri, juga perlu disediakan
kondisi fisik yang memungkinkan pertumbuhan optimum. Mikroba tidak hanya
bervariasi dalam persyaratan nutrisinya, tetapi menunjukan respon yang berbeda
terhadap kondisi fisik di lingkungannya. Untuk berhasilnya kultivasi mikroba
diperlukan suatu kombinasi nutrisi serta lingkungan fisik yang sesuai. Ada 5
parameter lingkungan yang utama yang perlu diperhatikan dalam menumbuhkan
mikroba yaitu temperature, kelembaban (RH), kadar oksigen, pH dan osmosis
·
Temperatur
Karena semua proses pertumbuhan bergantung
pada reaksi kimiawi dan karena laju reaksi-reaksi ini dipengaruhi oleh
temperatur, maka pola pertumbuhan mikroba sangat dipengaruhi oleh temperatur.
Temperature juga me pengaruhi laju pertumbuhan dan penambahan jumlah sel.
Keragaman suhu dapat juga mengubah proses-proses metabolic serta morfologi sel.
Setiap mikroba tumbuh pada suatu kisaran
suhu tertentu. Atas dasar ini maka mikroba ada yang bersifat Psikrofilik yang
tumbuh pada 00 dampai 200 C, Mesofilik yang tumbuh pada 200 sampai
450 C dan Termofilik yang
tumbuh pada temperature 450 sampai 800 C. Temperatur
inkubasi yang memungkinkan pertumbuhan tercepat selama periode waktu yang
singkat (12 sampai 24 jam) dikenal sebagai temperatur pertumbuhan optimum.
·
Kondisi atmosfer seperti kadar
oksigen, RH dan tekanan udara
Mikroba memperlihatkan
keragaman yang luas dalam hal respons terhadap oksigen bebas dan atas dasar ini
maka mikroba dibagi menjadi empat yaitu aerobik (memerlukan oksigen), anaerobik
(tumbuh tanpa oksigen molekuler), anaerobic fakultatif (tumbuh pada keadaan
aerobic dan anaerobik), dan mikroaerofilik (tumbuh bila ada sedikit oksigen
atmosferik). Beberapa mikroba bersifat anaerobik obligat, bila terkena oksigen
akan terbunuh, oleh karena itu untuk menumbuhkan mikroba anaerobic diperlukan
teknik khusus agar tercapai keadaan anaerob. Keperluan penumbuhan jasad anaerob
obligat dapat dipenuhi dengan menggunakan alat yang disebut anaerobic jar.
·
Konsentrasi ion hydrogen (pH)
pH optimum bagi kebanyakan mikroba
terletak antara 6.5 sampai 7,5. Bagi kebanyakan mikroba pH minimum dan maksimum
antara 4 sampai 9. Pertumbuhan mikroba sangat dipengaruhi oleh pH karena nilai
pH sangat menentukan aktivitas enzim. Bila mikoba di kultivasi di dalam suatu
medium yang mula-mula pH-nya 7 maka kemungkinan pH ini akan berubah. Pergeseran
pH ini dapat sedemikian besar sehingga menghambat pertumbuhan. ,Pergeseran pH
dapat dicegah dengan menggunakan larutan penyangga atau bufer dalam medium.
Bufer merupakan senyawa yang dapat menahan perubahan pH misalnya KH2PO4 dan
K2HPO4. Beberapa bahan nutrisi medium seperti pepton mempunyai kapasitas bufer.
Perlu atau tidaknya suatu medium diberi bufer tergantung kepada maksud
penggunaannya dan dibatasi oleh kapasitas bufer yang dimiliki senyawa-senyawa
yang digunakan.
·
Tekanan osmosis
Tekanan osmosis adalah besarnya
tekanan minimum yang diperlukan untuk mencegah aliran air yang menyebrangi
membran di dalam larutan. Contohnya : jika larutan 10 % sukrosa di dalam
kantong membran dialysis diletakkan dalam air dalam gelas maka molekul air yang
ada dalam gelas akan mengalir ke dalam kantong analisis. Besarnya tekanan yang
diperlukan untuk mencegah aliran molekul air dalam gelas ke dalam kantong
dialisis merupakan nilai tekanan osmosis larutan sukrosa tersebut. Berdasarkan tekanan osmosanya maka larutan
tempat pertumbuhan mikroba dapat digolongkan atas larutan hipotonis, isotonis
dan larutan hipertonois. Mikroba biasanya hidup di lingkungan yang bersifat
agak hipotonis sehingga air akan mengalir dari lingkungannya ke dalam sel
sehingga sel menjadi mengembang kaku. Adanya dinding sel dapat mencegah
pecahnya sel mikroba. Untuk menum buhkan dan mengembangbiakkan mikroba,
diperlukan suatu substrat yang disebut media. Keragaman yang luas dalam
hal tipe nutrisi di antara mikroba diimbangi oleh tersedianya berbagai
media yang banyak macamnya untuk kultivasi. Agar mikroba dapat tumbuh dan
berkembang dengan baik di dalam media, diperlukan persyaratan tertentu,yaitu:
a.
Media mengandung semua unsur hara
yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangbiakkan mikroba.
b.
Media mempunyai tekanan osmosa ,
dan PH yang sesuai untuk mikroba.
c.
Media harus
dalam keadaan steril
·
Bentuk media
Bentuk media ditentukan oleh ada
tidak adanya penambahan zat pemadat seperti agar, gelatin. Berdasarkan bentuk
dikenal tiga jenis media yaitu media padat, cair dan semi padat. Media
cair yaitu media berbentuk cair yang tidak mengandung agar, misalnya nutrien
broth. Umumnya media cair digunakan untuk menambah biomassa sel . Kalau ke
dalam media tidak ditambahkan zat pemadat. Media cair dipergunakan untuk
penumbuhan bakteri, ragi dan mikroalga. Biasanya pada teknologi fermentasi,
medium atau substrat digunakan bahan dasar yang mengandung karbon. Oleh karena
itu, kebanyakan berasal dari tumbuhan dan sedikit dari produk hewani. Sebagai
contoh; biji-bijian (grain), susu (milk). Natural raw material berasal
dari hasil pertanian dan hutan.Karbohidrat; gula, pati (tepung), selulosa,
hemiselulosa, dan lignin. Seperti yang telah dijelaskan di atas, secara umum
mikroba dapat ditumbuhkan dengan menggunakan medium padat atau medium cair.
Banyak produk pangan yang dibuat dengan menggunakan mikroba biasanya
dipergunakan untuk tempe, tape, oncom dan berbagai jamur untuk konsumsi.
Sebaliknya, banyak pula produk mikrobia yang hanya dapat dihasilkan dan dipanen
dengan cara menumbuhkan pada medium cair, misal antibiotik, etanol, asam-asam
amino. Kultivasi mikroba dapat dilakukan dengan dua macam teknik meliputi
kultur batch (kultur tertutup) dan kultur kontinyu (sinambung).
·
Sistem fermenter tertutup dan
terbuka
1.
Tertutup, semua nutrien ditambahkan
pada awal fermentasi dan pada akhir fermenetasi dikeluarkan bersama produknya.
Sebagai contoh: pembuatan bir (brewing), antibiotik, dan enzym.
2.
Terbuka, secara kontinyu (terus
menerus) terjadi pemasukan medium kultur dan pengeluaran medium bersama produk.
Dalam kultivasi mikroba menggunakan teknik kultur kontinyu/sinambung, mikroba
ditumbuhkan secara terus menerus pada fase paling optimum untuk fase
pertumbuhan yaitu fase eksponensial dimana sel membelah diri dengan laju yang
konstan, massa menjadi dua kali lipat mengikuti kurva logaritmik. Hal ini
dilakukan dengan memberi nutrisi secara terus menerus sehingga mikroba tidak
pernah kekurangan nutrisi. Sebagai contoh: SCP (petrokimia).
·
Tipe Fermenter ada 2: septis dan
aseptis.
Fermenter berdasarkan tipenya dapat dibedakan menjadi
2 jenis yaitu:
1.
Septis untuk pembuatan pengembang
roti, bir (brewing).
2.
Aseptis untuk memproduksi fine
porduct seperti: antibiotik, asam amino,
polisakarida dan single cell protein (SCP).
·
Skala fermenter
Fermenter berdasarkan skala produksinya dapat
dibedakan menjadi 2 jenis yaitu:
1.
Skala kecil (small scale);
untuk industri rumah tangga (home industri)
2.
Skala besar (large scale); untuk
industri skala besar (petrokimia industri). Masalah utama fermenter
untuk produksi skala besar adalah pemerataan medium kultur dalam fermenter.
Harus homogen artinya medium kultur harus tercampur merata
