bioreaktor untuk fermentasi media padat (bioproses)

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Istilah pertumbuhan bakteri lebih mengacu kepada pertambahan jumlah sel bukan mengacu kepada perkembangan individu organisme sel. Bakteri memiliki kemampuan untuk menggandakan diri secara eksponensil dikarenakan system reproduksinya adalah pembelahan biner melintang,dimana tiyap sel membelah diri menjadi dua sel.

Dalam suatu penelitian tertentu, pebanyakan bakteri sangat diperlukan untuk mendukung suatu analisa. Oleh karena itu, untuk menumbuhkan bakteri diperlukan suatu bahan yang terdiri dari campuran zat-zat makanan (nutrisi) yang diperlukan mikroorganisme untuk pertumbuhannya. Mikroorganisme memanfaatkan nutrisi media berupa molekul-molekul kecil yang dirakit untuk menyusun komponen sel. Dengan media pertumbuhan dapat dilakukan isolat mikroorganisme menjadi kultur murni dan juga memanipulasi komposisi media pertumbuhannya.

Inokulasi adalah menanam inokula secara aseptik ke dalam media steril baik pada media padat maupun media cair. Inokula adalah bahan yang mengandung mikroba baik dalam keadaan cair maupun padat. Tujuan inokulasi adalah untuk memurnikan, mengidentifikasi, meremajakan, dan menyimpan mikroba. Biakan murni dilakukan untuk keperluan diagnostik, karakterisasi mikroorganisme, industri farmasi dan kegiatan lain yang berkaitan dengan mikroorganisme. Nutrisi dan lingkungan yang menunjang pertumbuhan mikroorganisme serta suatu teknik kerja aseptis yang dapat mencegah adanya kontaminan dalam biakan diperlukan untuk mendapatkan kultur yang murni. Untuk meningkatkan keberhasilan inokulasi mikroba diperlukan beberapa media yaitu media tumbuh,peralatan,dan metode inokulasi.

Supaya mikiroba dapat tumbuh baik dalam suatu medium, perlu dipenuhi syarat-syara tsebagai berikut :

1.      Medium harus mengandung semua nutrisi yang diperlukan oleh mikroba

2.      Medium harus mempunyai tekana osmotic, tegangan muka dan pH yang sesuai.

3.      Medium tidak mengandung zat penghambat.

4.      Medium harus steril

1.2 Tujuan

Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini adalah:

1.      Mahasiswa dapat mengetahui fermentasi media padat

2.      Mahasiswa dapat mengetahui aplikasi dari media dalam proses fermentasi

3.      Mahasiswa dapat memahami rheologi dan aplikasinya

1.3 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari pembuatan makalah ini adalah:

1.      Apakah yang dimaksud dengan fermentasi substrat padat?

2.       

II. PEMBAHASAN

2.1 Pengertian Fermentasi Media Padat (Solid State Fermentation)

Fermentasi media padat merupakan proses fermentasi yang berlangsung dalam substrat tidak larut, namun mengandung air yang cukup sekalipun tidak mengalir bebas. Solid State Fermentation mempunyai kandungan nutrisi per volum jauh lebih pekat sehingga hasil per volum dapat lebih besar. Fermentasi media padat berkaitan dengan pertumbuhan mikroorganisme pada bahan padat dalam ketiadaan atau hampir ketiadaan air bebas. Tingkat lebih atas dari fermentasi media padat (yaitu sebelum air bebas tampak) merupakan fungsi penyerapan (absorbancy), dan dengan demikian kadar airnya pada gilirannya tergantung pada jenis substrat yang digunakan.

Aktivitas biologis menurun bila kandungan air substrat sekitar 12%. Dan semakin mendekati nilai ini, aktivitas mikrobiologis semakin tertahan. Fermentasi media padat tidak memperhatikan fermentasi slurry (yaitu cairan dengan kandungan zat padat taklarut yang tinggi) ataupun fermentasi media padat dalam medium cair. Media yang paling banyak digunakan dalam fermentasi media padat adalah biji-bijian serealia, kacang-kacangan, sekam gandum, bahabn yang mengandung linoselulosa (seperti kayu dan jerami), dan berbagai bahan lain yang berasal dari tanaman dan hewan. Senyawaan tersebut selalu berupa molekul primer, tak larut atau sedikit larut dalam air, tetapi murah, mudah diperoleh dan merupakan sumber hara yang tinggi.

Beberapa keuntungan dari penggunaan media padat adalah :

1. Medium yang digunakan relatif sederhana

2. Ruang yang diperlukan untuk peralatan fermentasi relatif kecil,karena air yang digunakan sedikit.

3. Inokulum dapat disiapkan secara sederhana

4. Kondisi mediumtempat pertumbuhan mikroba mendekati kondisi habitat alaminya

5. Aerasi dihasilkan dengan mudah karena ada ruang diatara tiap partikel substratnya

6. Produk yang dihasilkan dapat dipanen dengan mudah

Suatu sifat yang mencirikan berbagai fermentasi substrat padat adalah perlunya memberi perlakuan awal pada bahan mentah substrat untuk meningkartkan ketersediaan hara, untuk mengurangi ukuran partikel untuk mengoptimumkan parameter fisik fermentasi bersangkutan. Desain proses fermentasi substrat padat lebih jauh dikendalikan oleh perlunya mencapai ciri pemindahan massa dan panas yang baik, pemindahan massa interpartikel dan difusi intrapartikel merupakan dua tahap utama pemindahan massa yang membatasi fermentasi substrat padat

2.2 Aplikasi Bioreaktor Media Padat

Fermentasi media padat telah dipraktekkan selama ratusan tahun di asia timur. Banyak makanan hasil fermentasi, seperti kecap, miso, tempe dan senbagainya, mempunyai fase media padat lainnya digunakan untuk menghasilkan berbagai enzim dan bahan kimia seperti asam sitrat. Dibelahan bumi barat, fermentasi media padat dipusatkan pada pengkomposan limbah tanaman dan hewan, ensiling, penanaman jamur, dan pembuatan keju. Fermentasi media padat tehadap lignoselulosa bisa menjadi industri besar di masa depan, untuk menghasilkan biomassa, etanol, metan dan beberapa produk yang bernilai komersial tinggi. Sebagaian besar produk bioteknologi yang didasarkan pada mikroba dapat dihasilkan melalui fermentasi media padat. Faktor penentu bagi dilaksanakannya fermentasi semacam itu akan begantung pada nilai ekonomi relatifnya bila dibandingkan dengan proses fermentasi cair.

Jenis microorganisme yang tumbuh baik dibawah kondisi fermentasi media padat ditentukan terutama oleh faktor aktivitas air (a_w). nilai a_{w ­}substrat secara kuantitatif menyatakan banyaknya air yang dibutuhkan bagi aktivitas mikroba.

Beberapa contoh aplikasi fermentasi media padat

contoh	substrat	Mikroorganisme yang terlibat
Produksi jamur (eropa dan asia timur) Fermentasi (dinegara timur) Kecap Tempe oncom	Jerami, rabuk Gandum dan kedele Kedele Kedele	Agaricus bisporus, lentinus edodes, volvariella volvaceae Aspergillus oryzae Rhizopus sp. Neurospora sitophila
Keju Pencucian logam Asam-asam organik	Dadih susu Biji mutu rendah Gula tebu, molasa	Penicillim roquefortii Thiobacillus sp. Aspergillus niger
Enzim-enzim Pengkomposan Perlakuan limbah	Sekam gandum dan sebagainya Bahan organic campuran Komponen limbah	Aspergillus niger Jamur, bacteria, aktinomisetes Bakteri, jamur dan protozoa

Fermentasi media  padat dapat berlangsung dalam berbagai bentuk yang berbeda tergantung pada apakah mokroorganisme yang bersifat asli, kultur murni atau kultur campuran. Fermentasi yang menggunakan mikroflora asli (indigenous) terutama diarahkan untuk ensilinjg dan pengkomposan. Ensiling ialah suatu proses anaerobic yang melibatkan tanaman pertanian dan dilaksanakan pada suhu 25-30^oC selama 1-2 minggu. Lactobacillus bularicus menjadi organisme dominan yang menghasilkan asam laktat dan selanjutnya menghambat bakteri putrefaktif yang potensial, dank arena tiak adanya oksigen, jamur aerobik tidak dapat tumbuh. Tingkat kelmbaban adalah sangat kritis pada 50-65%, untuk menjamin agar lactobacillus yang osmotoleran menjadi aktif dan dominan. Sebaliknya, pengkomposan melibatkan serangkaian mikroorganisme dari bakteri mesofilik, ragi dan jamur sampai aktinomisetes dan jamur yan temofilik.

Fermentasi media padat dengan menggunakan kultur jamur murni paling baik diilustrasikan dengan proses koji kuno murni untuk fermentasi biji-bijian dan kedele dengan jamur Aspergillus oryzae. Substrat yang telah masak di inokulasi dengan kultur murni A. oryzae dan diletakan pada lapisan tipis dalam baki atau dalam bioreactor putar yang khusus supaya menghasilkan amilase dan protease untuk memecahkan bahan polimer di dalam substart. Proses koji merupakan dasar untuk jenis fermetasi yang lain termasuk produksi enzim komersial, asam organic dan etanol.

Fermentasi media padat tertentu secara sengaja menggunakan inokulasi kultur campuran untuk memperoleh pembentukan produk akhir yang optimum. Dengan demikian jerami dapat dikonversi secara lebih efisien menjadi biomassa jamur melalui penggunaan kultur camuran chaetomium cellulolyticum dan candida lipolytical daripada setiap jamur itu secara sendiri-sendiri.

2.3 Pengertian Rheologi

Rheologi adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan aliran cairan dan deformasi dari padatan. Rheologi mempelajari hubungan antara tekanan gesek (shearing stress) dengan kecepatan geser (shearing rate) pada cairan, atau hubungan antara strain dan stress pada benda padat. Rheologi erat kaitannya dengan viskositas.
Rheologi sangat penting dalam farmasi karena penerapannya dalam formulasi dan analisis dari produk-produk farmasi seperti: emulsi, pasta, krim, suspensi, losion, suppositoria, dan penyalutan tablet yang menyangkut stabilitas, keseragaman dosis, dan keajekan hasil produksi. Misalnya, pabrik pembuat krim kosmetik, pasta, dan lotion harus mampu menghasilkan suatu produk yang mempunyai konsistensi dan kelembutan yang dapat diterima oleh konsumen. Selain itu, prinsip rheologi digunakan juga untuk karakterisasi produk sediaan farmasi (dosage form) sebagai penjaminan kualitas yang sama untuk setiap batch.
Rheologi juga meliputi pencampuran aliran dari bahan,pemasukan ke dalam wadah,pemindahan sebelum digunakan,penuangan, pengeluaran dari tube, atau pelewatan dari jarum suntik. Rheologi dari suatu zat tertentu dapat mempengaruhi penerimaan obat bagi pasien, stabilitas fisika obat, bahkan ketersediaan hayati dalam tubuh (bioavailability). Sehingga viskositas telah terbukti dapat mempengaruhi laju absorbsi obat dalam tubuh.
Sifat-sifat rheologi dari sistem farmaseutika dapat mempengaruhi pemilihan alat yang akan digunakan untuk memproses produk tersebut dalam pabriknya. Lebih-lebih lagi tidak adanya perhatian terhadap pemilihan alat ini akan berakibat diperolehnya hasil yang tidak diinginkan. Paling tidak dalam karakteristik alirannya. Aspek ini dan banyak lagi aspek-aspek rheologi yang diterapkan dibidang farmasi.

Penggolongan sistem cair menurut tipe aliran dan deformasinya ada dua yaitu Sistem Newton Sistem Non Newton. Pada cairan Newton, hubungan antara shearing rate dan shearing stress adalah linear, dengan suatu tetapan yang dikenal dengan viskositas atau koefisien viskositas. Tipe alir ini umumnya dimiliki oleh zat cair tunggal serta larutan dengan struktur molekul sederhana dengan volume molekul kecil. Tipe aliran yang mengikuti Sistem Newton, viskositasnya tetap pada suhu dan tekanan tertentu dan tidak tergantung pada kecepatan geser, sehingga viskositasnya cukup ditentukan pada satu kecepatan geser sistem non newton. Pada cairan non-Newton, shearing rate dan shearing stress tidak memiliki hubungan linear, viskositasnya berubah-ubah tergantung dari besarnya tekanan yang diberikan. Tipe aliran non-Newton terjadi pada dispersi heterogen antara cairan dengan padatan seperti pada koloid, emulsi, dan suspense cair,salep. Ada 3 jenis tipe aliran dalam sistem Non-Newton, yaitu : plastis, pseudoplastis, dan dilatan.

2.4 Produk Rheologi

2.5 Aplikasi Rheologi

Dalam bidang farmasi, prinsip-prinsip rheologi diaplikasikan dalam pembuatan krim, suspensi, emulsi, losion, pasta, penyalut tablet, dan lain-lain. Selain itu, prinsip rheologi digunakan juga untuk karakterisasi produk sediaan farmasi (dosage form) sebagai penjaminan kualitas yang sama untuk setiap batch. Rheologi juga meliputi pencampuran aliran dari bahan, penuangan, pengeluaran dari tube, atau pelewatan dari jarum suntik. Rheologi dari suatu zat tertentu dapat mempengaruhi penerimaan obat bagi pasien, stabilitas fisika obat, bahkan ketersediaan hayati dalam tubuh (bioavailability). Sehingga viskositas telah terbukti dapat mempengaruhi laju absorbsi obat dalam tubuh.

PENERAPAN RHEOLOGI DALAM FARMASI:

1.    Cairan dapat diterapkan pada :
a.    Pencampuran
b.    Pengurangan ukuran partikel dari sistem sistem dispersi dengan shear
c.    Pelewatan melalui mulut, penuangan, pengemasan dalam botol, pelewatan melalui jarum suntik
d.    Perpindahan cairan
e.    Stabilitas fisik sistem dispersi
2.    Semi solid diterapkan pada :
a.    Penyebaran dan pelekatan pada kulit
b.    Pemindahan dari wadah/tube
c.    Kemampuan zat padat untuk bercampur dengan cairan-cairan
d.    Pelepasan obat dari basisnya

3.    Padatan diterapkan pada :
a.    Aliran serbuk dari corong ke lubang cetakan tablet/kapsul
b.    Pengemasan serbuk/granul
4.    Pemprosesan diterapkan pada :
a.    Kapasitas produksi alat
b.    Efisiensi pemrosesan

Bioreaktor disertai dengan piringan pengmupul dan piringan emitor.

Pada bioreaktor terdapat tempat keluaran (ventilasi) dan lubang pemasukkan (udara, steam, dan inokulum).