how to make a fermentation food

1. Mata Kuliah Mikrobiologi
Semester Genap 2018/2019
DEDY RAHMAD, M.Sc

2. SATUAN PROSES PADA FERMENTASI
 Perubahan-perubahan kimia yang terjadi di dalam sel
mikroba pada waktu sel tumbuh & berkembang biak
Biokimia  fermentasi = aktifitas mikroba untuk
memperoleh energi yang diperlukan untuk metabolisme &
pertumbuhan.
Fisiologi sel : pempelajari perubahan-perubahan
yang terjadi di dalam sel mikroba yang berhubungan
dengan perkembangan, pertumbuhan dan daur hidup
mikroba
Reaksi kimia penting dlm mikroba adalah reaksi oksidasi &
reduksi (pelepasan & penerimaan elektron)

3. Teknologi Fermentasi = ilmu teknik terapan yang
mendasari industri fermentasi  pemanfaatan terpadu
mikrobiologi, biokimia, kimia, keteknikan, rekayasa
genetika/biologi molekuler
Industri Fermentasi  pemanfaatan aktifitas mikroba
untuk menghasilkan berbagai produk/jasa yang
berguna bagi kemaslahatan manusia

4. Definisi Fermentasi Mikroorganisme
Klasik : Uraian senyawa kompleks senyawa sederhana
anaerob
Mikroorganisme
Modern : Pengubahan suatu substrat Bahan lebih
berguna
Terkontrol
Fermentasi :
 Segala macam proses metabolisme yg (enzim, jasad renik secara
oksidasi, reduksi, hidrolisa atau reaksi kimia lainnya)melakukan
perubahan kimia pada suatu substrat organik dengan menghasilkan
Produk Akhir.
 Aplikasi metabolisme mikrobia utk mengubah bahan (Industri)baku
menjadi produk yg bernilai lebih tinggi
 Misalnya:-Etanol, Asetat -Antibiotik, Enzim, Vitamin, Protein sel
tunggal dsb.

5. FERMENTASI
• Dari bahasa LATIN
ferveo = mendidih krn timbulnya gelembung-gelembung
gas CO2
• Istilah fermentum
khamir/ragi yang dipakai sebagai inokulum/
starter pada fermentasi
PENGERTIAN FERMENTASI
 Perubahan kimiawi secara oksidatif oleh mikroba
dlm substrat sbg produksi hasil pemecahannya berupa
senyawa yang lebih kompleks drpd CO2
 Proses terjadinya perubahan kimia pada substrat
organik oleh aktivitas enzim yang dihasilkan

6. Tujuan Fermentasi
 Menghasilkan suatu produk (bahan pakan) yang
mempunyai kandungan nutrisi, tekstur, biological
availability yang lebih baik
 Disamping itu juga menurunkan zat anti nutrisinya

7. Jenis Proses Fermentasi Berdasarkan Medium
Pertumbuhan Mikroba
 Fermentasi Padat (solid Substrate fermentation)
Medium tdk larut, tapi cukup lembab untuk keperluan
mikroba
 Fermentasi Semi Padat (Sub merged Substrate
Fermentation)
Medium tidak larut, kelembaban cukup
 Fermentasi Cair ( Liquid Substrate Fermentation)
Substrat larut dan atau tidak larut.

8. SSF SMF
Mikroba Kapang Bakteri, yeast
Kadar air Kurang dari 40% 50-75%
pH Tidak stabil Stabil (ada sistem kontrol)
Suhu Terjadi akumulasi panas 
penurunan aktivitas
Tidak terjadi akumulasi panas
Substrat Limbah agroindustri (ampas
tebu, dedak) / mentah
Substrat murni
Penambahan
nutrisi
Tidak ada Ada penambahan nutrisi
Pretreatment Pengecilan ukuran,
hidrolisis enzim/kimiawi,
pemanasan (pre-degradasi)
Tanpa pretreatment

9. Jenis Fermentasi Berdasarkan Produk yang
dihasilkan
 Alcoholic fermentation
 Lactic Acid Fermentation
1
Step 2
3

10. Jenis Fermentasi berdasarkan Proses kerja
 Batch culture fermentation
Tanpa penambahan substrat selama fermentasi berlangsung
 Fed culture fermentation
Beberapa nutrisi/media ditambahkan selama fermentasi
dalam interval tertentu, tidak adamedium pertumbuhan
yang dipindahkan
 Semi batch culture fermentation
sebagian dari cairanf ermentasi dipindahkan setelah proses
berlangsung (70-80 %) & sel yang tertinggal dalam tangki
diendapkan/disentrifugasi untuk digunakan lagi pada batch
berikutnya
 Continuous culture fermentation
nutrien/media ditambahkan terus menerus ke dalam fermenter
dan produk dipindahkan dari tangki fermenter scr terus menerus

11. Jenis Fermentasi berasarakan kondisi media
 Aseptis/ steril
pembuatan alkohol dan asam sitrat
 Semi aseptis/ tidak atau kurang steril
pembuatantempe, kecap, silase

12. Fase Fermentasi

13. Fase Lag
 Pada fase ini titik pertumbuhan nol, karena pada saat
sel dipindah ke medium yg baru terjadi penyesuaian
dengan lingkungan baru sehingga tidak segera terjadi
pertumbuhan sel
Ciri-ciri fase lag :
 Tidak ada peningkatan jumlah sel
 Sel membesar ukurannya
 Secara fisiologis sel aktif & mensintesa enzim
 baru utk beradaptasi dg lingkungan baru

14. Fase Log
 Tingkat pertumbuhan maksimal dan naik secara konstan
 Tingkat pertumbuhan eksponensial dipengaruhi oleh Kondisi
lingkungan (suhu, komposisi medium) Sifat genetik dari
mikrobia
Fase Stationer / Tingkat pertumbuhan nol, ciri:
 Terjadi akumulasi produk beracun, nutrien di dalam medium
telah habis
 Jumlah sel yg mati = yg membelah, sehingga jumlah sel
seimbang (cryptic growth)
 Jumlah sel yang hidup tetap
 Walau tidak adapertumbuhan, fungsi sel tetap berjalan seperti
metabolisme maupun biosintesa.
 Produksi beberapa metabolit sekunder adalah utama, terutama
pada perpindahan dari fase logaritmik ke fase stasioner

15. Fase Kematian (Death Phase)
 Tingkat pertumbuhan negatif, artinya jumlah sel yang hidup menurun
 Pada beberapa keadaan dapat diikuti dengan terjadinya lisis dari sel
sehingga turbiditas dan jumlah sel yg dihitung secara langsung akan
berkurang sejalan dengan pengurangan sel hidup
Ciri-ciri :
 Terjadi akumulasi lanjut produk metabolit yang menghambat nutrien
penting dalam medium habis.
 Jumlah sel yg hidup turun secara logaritmik.
 Umumnya sel akan mati dalam bbrp hari atau bulan

16. RUANG LINGKUP PROSES
FERMENTASI
Fermentasi yang
menghasilkan Sel
(Biomas) sebagai
Produk
Contoh :
1. Yeast
2. Single Cell Protein (SCP)
Fermentasi yang
memproduksi
Enzim
Contoh :
Enzyme Glucoamilase

18. 1. YEAST
 Untuk menumbuhkan Yeast  Substrat  n-alkane,
methanol, minyak diesel, limbah industry bir, pati
molasses
 Yeast yg terproduksi  Candida, Hansenula,
Rhodotorula & Torulopsis
 Untuk produksi Saccharomyces cerevicae gula, ex :
molasses
 Untuk produksi biomas (yeast) perbandingan karbon dan
nitrogen berkisar 7:1 – 10:1
 Konsentrasi karbohidrat dalam kultur batch sekitar 1-5%

19. Cont………
 Pada kultur yang kontinyu dgn substrat hidrokarbon atau
alcohol dibutuhkan Conc
 Untuk menjaga pH 3.5 – 4.5 digunakan ammonia
anhydrous (NH3) dengan asam phospat (H3PO4)

20. 2. Single Cell Protein (SCP)
ALGAE
 dapat ditumbuhakan secara
fotosintetis / heterotroph
 penumbuhan fotosintetis
melibatkan ilumniasi / sinar
matahari dan CO2
 Penumbuhan heterotroph
terjadi dalam kondisi gelap
dengan sumber karbon
organic dan sumber2 energy
Pertumbuhan alga
membutuhkan sinar dengan
panjang gelombang 700 nm
BAKTERI
 Dapat menggunakan sumber
karbon dan berbagai sumber
energy ( gula, pati, selulosa,
limbah petrokimia dan
hidrokarbon)
 Conc substrat karbon & energy
pada kultur batch pada kisaran
1-5%
 Lebih rendah untuk kultur
kontinyu
 Perbandingan karobon dan
nitrogen adalah 10:1
 pH yang sesuai 5-7

22. a. Enzim Amylase
 berasal dari jamur
 Digunakan pada industry cereal
 berfungsi pemecah rantai panjang karbohidrat
seperti pati  maltose, glukosa, maltoriosa,
maltotetraosa,
dan maltohesaosa
 α-amylase secara acak memecah ikatan α-(1-4) glycoside
dari amilosa  dekstrin , molekul2 maltose atau glukosa
 β-amylase mengkatalisis hidrolisa ikatan α-1,4 glycoside
tetapi hanya dari gula non reduksi untuk menghasilkan
molekul2 maltosa
 ensim Glucoamylase memecah ikatan α-(1-4) dan α-(1-
6) glycoside dari amylose dan amylopectin  glukosa

23. b. Enzim Pectinase
 berasal dari jamur
 digunakan pada coffee bean fermentation
pd pembuatan kopi
 peran utama dalam pembusukan sayur
dan buah
 bisa menaikan yield juice dan padatan
dari bahan tanaman
Menurunkan viskositas dari konsentrat
dan modifikasi pengenceran struktur
pectic yg membantu proses sedimentasi,
klarifikasi dan filtrasi

24. c. Enzim Lactase
 berasal dari Yeast
 digunakan untuk produksi konsentrat milk
 dapat memecah laktosa  glukosa dan
galaktosa
 Memiliki tingkat kemanisan kira-kira 0.8
relative sukrosa
 Laktosa digunakan pada milk sebagai
pencerna awal u/ manusia yg tdk tahan thd
milk, pembuatan keju dan yogurt, produksi
pemanis & sirup yg terhidrolisa dari bahan
whey

25. d. Enzim Protease
 berasal dari Bakteri
 digunakan untuk detergen laundry
 banyak digunakan dalam industry susu
terutama renin, pepsin dan chimosin
 Renin umumnya berfungsi sebagai
protease
 Memecah ikatan peptide di
Casein
 Casein berda pada susu segar atau susu
skim segar

27.  primary metabolite diproduksi selama fase
pertumbuhan keseluruhan
 Secondary metabolite diproduksi selama fase
akhir log dan fase stationer
Produk Secondary metabolite merupakan
senyawa kimia dalam mikroorganisme yg tidak
secara langsung berhubungan dengan
pertumbuhan normal, pengembangan dan
reproduksi M.O

28. 1. Aceton / Butanol
M.o yg digunakan u/ memproduksi campuran
Aceton /butanol adalah : Clostridium Sspesies (
C. butylicum, C. butyricum, C. toanum, , C.
acetobutylicum)
 menghasilkan spora viable u/ beberapa tahun
 pembuatannya mengubah glukosa  acetone
dan butanol melalui Acetoacetyl-CoA.
 Sumber karbon selain Glukosa  Sumber
karbohidrat (jagung molase)
 Sumber karbon lain yg sudah digunakan wheat,
nasi, kentang dan beet molase

29. Cont……..
 Butanol dapat mengakibatkan inhibisi
metabolism, shg u/ mendapatkan pati,
konsntrasi awal adalah 6-8 % (b/k jagung)
 Jika molase yg digunakan, maka kadar gula adl
5.5-7.5%
pH medium dijaga pada 5.6-6.0

30. 2. Asam Amino
 BB untuk produksi AA adalah molasses, cane sugar,
(NH4)2SO4 / urea dan komponen lain penting untuk
pertumbuhan
 proses merupakan fermentasi “SMF” aerobic
 Pada produksi L-asam glutamate, beberapa jenis
karbon ( glukosa, fruktosa, sukrossa, maltose, ribose)
dapat digunakan u/ strain Corynebacterium,
Brevibacterium, Microbacterium & Arthbacterium.
 Krn Molekul Asam Glutamat mengandung 9.5%
Nitrogen, shg suplai yg cukup dari sumber nitrogen
sangat penting
 contoh Ammonium chloride, Ammonium sulfat, urea
dan gas ammonia

31. 3. Antibiotik (Secondary Metabolite)
Antibiotik Sumber Mikroba
1. Amphomycin Streptomyces Canus
2. Bacitracyn Bacillus subtilis, B. licheniformis
3. Chromomycin S. Griseus
4. Penicilin – G P. Chrysogenum
5. Streptomycin S. Griseus
7. Tetranacin S. flaveolus
Antibiotik di atas untuk kepentingan klinis dan
mikroorganisme

32. Cont……
 Penicilin merupakan kelompok metabolite
sekunder
 Ketika sel dalam jumlah besar ditumbuhkan
pada laju yg dijaga 120-160 jam, fermentasi
penicillin dikatakan berada pada fase produksi
 Streptomycin disenthesa dari glukosa dengan
pembentukan awal myo-inositol
 Konsentrasi phospat, dimedium cukup kritis u/
produksi streptomycin, dengan konsentrasi
optimum phospat berkisar 1-10 µM

33. 4. Ethanol
 M.O yg diisolasi dari upaya pembuatan synthetic gas,
ditemukan di limbah peternakan ayam  produksi
etanol
 strain yg ditemukan ditumbuhkan dan dapat digunakan
u/ produksi etanol.
6CO + 3H2O  CH3CH2OH + 4CO2
6H2 + 2CO2  CH3CH2OH + 3H2O
 yield hasil reaksi sekitar 25 g/l EtOH, yg dapat diperoleh
sebagai anhydrous ethanol dengan distilasi & adsorpsi

34.  Reaksi karbonmonoksida lebih produktif untuk produksi
EtOH
 Selama produksi EtOH, Asam Asetat juga dihasilkan
dengan Yield 5 g/l.
4CO + 2H2O  CH3COOH +2CO2
2H2 + 4CO2  CH3COOH + 2H2O

36.  M.O yg relevan u/ mentransformasi steroid misalnya alkaligenes
faecalis dengan substrat asam sitrat
 S. aureus dengan substrat progesterone
 Setelah M.O ditumbuhkan, sejumlah steroid dalam solven yg sesuai
(EtOH, Aceton, propylene glycol)
 periode transformasi 24-48 jam
 Setelah transformasi, biomas dipisahkan dari cairan fermentasi &
diekstraksi dgn menggunakan pelarut yg sesuai (methylene chloride,
ethylene chloride / chloroform)
 beberapa jenis transformasi adlh L-tartaric acid dr asam nukleat, L-
maleic acid dr asam furmarat, isomerisasi dr Glukosa  fruktosa
Steroid

37.  Fermentasi  reaksi dengan menggunakan biokatalis
untuk mengubah bahan baku menjadi produk
 Biokatalis  bakteri, yeast, jamur (fungi)
 Proses dilakukan dalam bejana (bioreactor) / fermentor
 Umpan yg masuk ke dalam fermentor  substrat
 Substrat  sumber karbon  memberikan energy dan
pertumbuhan & produksi produk akhir
 M.O juga membutuhkan nutrient ( sulfur, phosphor,
potassium, magnesium, Nitrogen & mineral lainnya)
SISTEM FERMENTASI

38. Nutrient + Sumber Karbon + Oksigen  produk + produk samping
+ panas
Mikroorganisme
 Sumber Karbon Yg Umum : Glukosa, Molase, bahkan etanol
 Produk samping yg umum : biomas, karbondioksida,
hidrokarbon (etanol)
Persamaan Untuk Proses
Fermentasi

39.  Industri yang memanfaatkan kemampuan
mikroorganisme dalam menghasilkan produk.
Perkembangannya sejalan dengan perkembangan
mikrobiologi industri.
Industri Pangan
Jenis Industri Industri Biokimia
Industri farmasi
Industri Fermentasi

40.  Periode sebelum 1900
 Produk utama: alkohol dan vinegar
 Tanki fermentor dari kayu, tembaga
 Pengendalian proses: thermometer, hidrometer,
 heat exchanger
 Proses: batch dengan kultur murni
 Pelaksanaan: tanpa melalui pilot plant
 tanpa pengendalian kualitas produk
Perkembangan Industri Fermentasi

41. Periode 1900 – 1940
 Produk utama : baker’s yeast, gliserol, asam sitrat,
asam laktat, aseton-butanol
 Tanki fermentor : dari baja dilengkapi alat aerasi dan
pengaduk mekanis
 Pengendali proses : dilakukan kontrol suhu, pH
dengan pH elektroda
 Proses : secara batch dan fed batch dengan
menggunakan kultur murni
 Pelaksanaan: tanpa pilot plant dan pengendalian
kualitas produk

42. Periode 1940 – sekarang
 Produk utama: penisilin, strepomisin dan antibiotik
lain, giberelin, asam amino, nukleoida, enzim
 Tanki fermentor: dilengkapi dengan fasilitas aerasi
mekanis dan dioperasikan secara aseptis
 Pengendalian proses: dengan pH dan oksigen
elektrode yang diatur secara computerized
 Kultur yang digunakan kultur yang dimutasi dan
terseleksi
 Pelaksanaan: mulai dilakukan pilot plant dan
pengendalian kualitas produk

43.  Periode 1960 – sekarang
 Produk utama : SCP dengan sumber hidrokarbon
 Tanki fermentor: dilengkapi pengatur tekanan tinggi, alat
pemasukan gas, pengatur panas yang dikonol komputer
sepenuhnya
 Proses : dilakukan secara continue dengan kultur hasil rekayasa
genetik
 Pelaksanaan: fasilitas pilot plant dan pengendalian kualitas produk
selalu dilakukan
 Periode 1979 – sekarang
 Produk utama: senyawa asing yang secara normal tidak diproduksi
mikrobia mis. Insulin interferon
 Tanki fermentor: hasil pengembangan generasi sebelumnya
 Proses: batch, fed batch atau ontinue dengan kultur hasil
pemindahan gen asing de dalam sel mikrobia secara rekayasa
enetik
 Pelaksanaan : fasilitas pilot plant dan pengendalian kualitas produk
selalu dilakukan

44.  Membuat produk yang tidak dapat, sulit atau tidak
ekonomis diperoleh melalui proses kimia
(enzim  reaksi spesifik)
 Kondisi proses lebih “lunak” (suhu ruang, tekanan
atmosfir, pH netral)
 Efektif  biasanya laju reaksi enzimatis > reaksi kimia
 Bahan baku dapat diperbarui  produk bersifat lebih
ramah terhadap lingkungan
 Dapat mengubah bahan yang murah menjadi produk
yang bernilai ekonomi tinggi
Contoh : pangan  aroma, tekstur, daya cerna & daya
tahan simpan lebih baik
Kelebihan Proses Fermentasi

45.  Campuran produk kompleks (camp. sel mikroba, produk,
hasil samping, sisa media) proses hilir sulit
 Cairan fermentasi bersifat encer & produk sedikit  proses
hilir mahal
 Resiko kontaminasi selama fermentasi
 Hasil beragam  sel mikroba cenderung melakukan
mutasi terhadap perubahan lingkungan, sehingga
kehilangan kemampuan berproduksi dapat
hilang/menurun
Kelemahan Proses Fermentasi

47.  Formulasi medium yg akan digunakan untuk
menumbuhkan mikroorganisme, baik pada Enrichment
(pengkayaan) maupun pada Proses Produksi
 Sterilisasi Medium, Fermentor dan Perlengkapannya
 Produksi kultur murni/campuran yg cukup utk
menginokulasi pd tahap produksi
 Optimasi produksi pd tahap Fermentasi produk dg kondisi
Optimum
 Ekstraksi (Pemanenan hasil) dan Purifikasi/pemurnian
produk
 Pembuangan effluen (limbah medium) yg dihasilkan
selama produksi
Tahapan Proses Fermentasi

48. .
Diagram Proses
Fermentasi
Persiapan
media
Kompresi
Udara
Pengambilan
Produk
&
Pemurnian
Sterilisasi
media
Proses
Fermentasi
Sterilisasi
Udara
O2, CO2,
N2

49. See U Next Week.....
Terima Kasih
49