TEKNOLOGI FERMENTASI DAN ENZIM UNIVERSITAS MERCU BUANA YOGYAKARATA

Transkripsi

1 TEKNOLOGI FERMENTASI DAN ENZIM UNIVERSITAS MERCU BUANA YOGYAKARATA

2 BAB VII KINETIKA PERTUMBUHAN MIKROBIA Pertumbuhan adalah suatu pertambahan secara teratur seluruh komponen sel hidup a. Uniseluler ( yeast, bakteri, jamur) Tumbuh b. Multiseluler Tumbuh besar Kinetika pertumbuhan mikrobia : pertambahan jumlah sel pertambahan ukuran dan jumlah menjadi lebih a. Dasar dalam memahami setiap proses fermentasi b. Menguraikan tentang kecepatan produksi sel (biomassa) dan pengaruh lingkungan terhadap kecepatannya Pengamatan pertumbuhan mikrobia : a. Secara kualitatif dapat tumbuh atau tidak b. Secara kuantitati menjadi dasar dari studi kenetika pertumbuhan

3 Partumbuhan secara kuantitatif disajikan dalam bentuk kurvajumlah biomassa vs waktu

4 1. Fase adaptasi Fase penyesuaian mikrobia dengan keadaaan lingkungan Lama waktu adaptasi tergantung : a.jumlah sel (inoculum) yang digunakan 3 5 % b.kondisi inoculum ( sehat, aktif ) c.kondisi lingkungan ( ph, suhu dll ) d.media (nutrisi) yang digunakan 2. Fase pertumbuhan dipercepat Sel mulai melakukan pembelahan terjadi pertumbuhan 3. Fase petumbuhan logaritmik Kecepatan pertumbuhan maksimal dan konstan Mikrobia sangat peka terhadap perubahan lingkungan

5 4. Fase pertumbuhan diperlambat Jumlah nutrisi mulai berkurang sehingga dimungkinkan terbentuk metabolit bersifat racun, mikrobia masih tumbuh tetapi kecepatannya menurun 5. Fase stasioner Mulai terjadi kematian sel Jumlah sel mati = jumlah pertambahan sel jumlah sel tetap Fase kematian dipercepat dan fase kematian logaritmik Jumlah sel mati semakin besar karena nutrisi mendekati habis sehingga sel mengalami lisis

6 Pengamat kinetika pertumbuhan mikrobia banyak dilakukan dari percobaan system batch karena mudah dikerjakan. Studi kinetika petumbuhan dengan cara kontinyu lebih mahal dan sulit dilakukan: Data pengamatan yang dilakukan disajikan dalam parameter pertumbuhan : 1. Specific growth rate ( kecepatan pertumbuhan spesifik ) 2. Doubling time ( waktu penggandaan ) 3. Banyaknya penggandaan 4. Growth yield 5. Metabolic quotient penggunaan substrat dan pembentukan produk 6. Afinitas substrat 7. Jumlah maksimum biomasssa

7 Kondisi persyaratan pertumbuhan biomassa a. Inoculum hidup sehat dan aktif b. Tersedia sumber enegi dan nutrisi yang cukup c. Tidak terdapat inhibitor yang menghambat pertumbuhan d. Kondisi lingkungan Yang cocok

8 Parameter pertumbuhan mikrobia : 1. Kecepatan pertumbuhan spesifik ( µ ) Yaitu kecepatan pertumbuhan populasi mikrobia dibagi biomassa yang ada bila semua persyaratan untuk pertumbuhan mikrobia terpenuhi, maka : Untuk interval waktu tertentu (dt ) akan terjadi kenaikan jumlah biomassa (dx ) yang proporsional dengan jumlah biomassa yang ada ( x ) Dirumuskan : dx x= µ. x. dx atau dx / dx = µ. x Penentuan dx atau x dan dt atau t harus dalam fase pertumbuhan logaritmik dx / dt = µ. x, bila µ konstan maka dx/x = µ. dt ln x1 In xo = µ ( t1 to) ln x1/xo = µ ( t1 to ) x1/xo =e µ ( t1 to ) x1= xo e µ ( t1 to )

9 Jika digunakan bilang pokok 10 maka log10 = 1 dan In 10 = 2,303 Berarti : ln x1/ xo = µ ( t1 to ) 2,303 log x1 / xo = µ ( t1 to ) Log x1 / xo =

10 2. Waktu penggandaan ( doubling time = Td ) Merupakan waktu yang diperlukan untuk memperbanyak jumlah sel atau massa sel atau komponen sel sebanyak 2x lipat.

11 3. Banyaknya penggandaan (n) Rumus yang berlaku : x1/xo = 2 n Log x1/ xo = log 2 n Log x1 log xo = n log 2 n = 3,32 ( log x1 log xo ) n = LLL xx log xx 0,301 n = 3,32 ( log x1 log xo )

12 Contoh : Diketahui jumlah sel awal ( xo ) = 104 sel /ml Setelah waktu tertentu ( t ) jumlah sel (x1) = 108 sel /ml T = 4 jam. Hitung µ, td dan n Jawab : Log x1 log xo = Log 10 8 log 10 4 = 8 4 = µ. 4 / 2,303 µ = 2,303 jam -1

13 Td = 0, 693 / µ µ= jam -1 Td = 0693 / 2,303 Td = 0,301 jam = 20 menit n = 3, 32 ( log x1 log xo ) = 3, 32 ( log 10 8 log 10 4 ) = 3, 32 ( 4 ) n = 13, 28

14 Growth yield Yaitu besarnya perbandingan antar bayaknya produk yang dihasilkan dengan substrat yang digunakan Y x/s = x/ s Y x/s = dx / dt Jika x dan s masing-masing adalah kadar biomassa dan substrat maka Y = - dx / ds Tanda negative digunakan karena x dan s berubah dengan arah yang berlawanan

15 Growth yield menyatakan kebutuhan nutrisi oleh suatu mikrobia secara kuantitatif kebalikan dari growth yield ( I/Y) disebut koefisie ekonomi Monod (1942), menyatakan bahwa pembiakan bakteri apabila kondisinya konstan, maka growth yield juga konstan Bila Xo dan So adalah konsentrasi awal biomassa dan substrat, X dan S adalah konsentrasi pada saat pertumbuhan, maka X Xo = Y ( So S) Untuk growth limiting substrate,bila pertumbuhan mencapai jumlah biomassa maksimum ( Xmax), maka S = 0, berlaku : Xmax Xo = Y. So

16

17 5. Metabolic quotient Qp = metabolic quotient untuk penggunaan substrat Qs = metabolic quotient untuk pembentuka produk Kecepatan penggunaan substart dalam pertumbuhan pada suatu saat dinyatakan : ds/dt = qs. x X = jumlah biomassa Qs metabolic quotient ( kecepatan metabolisme spesifik ) Metabolic quotient (q) analog dengan aktifitas enzim apabila kondisi lingkungan dan konsituen biomassa konstan maka q juga konstan

18 Metabolic quotient penggunaan substrat

19 Metabolic quotient untuk pembentukan produk

20 Pengaruh substrat terhadap kecepatan pertumbuhan Mengikuti konsep kinetika enzim : Monod (1942), hubungn antara kecepatan pertumbuhan bakteri dan kadar substrat µ = kecepatan pertumbuhan spesifik µ maks = kecepatan pertumbuhan maksimal S = konsanta substrat Ks = konstanta saturasi

21

22 Untuk mempermudah mempelajari besarnya µ, persamaan monod yang berbntuk hiperbola dirubah menjadi persamaan linier (garis lurus) oleh LINEWEAVER- BARK dengan membalik persamaan monod.

23

24

25 Penentuan harga Ks realtif sedikit =, disebabkan harga Ks umunya sangat rendah, sering dibawah kepekaan suatu cara analisa kimia. Beberapa contoh harga Ks pada mikrobia Mikrobia Substrat Ks (mg/dm 3 ) E. coli Glukosa 6,8 x 10-2 S. Cerevisiae Glukosa 25,0 Pseudomonas Methanol 0,7 Cryptococcus Thiamin 1,4 x 10-7 Aspergillus Glukosa 2,0 Candida Glycerol 4,5 Candida Oksigen 4,5 x 10-1

26 Jika suatu mikrobia mempunyai afinitas tinggi terhadap substrat pembatas pertumbuhan ( nilai Ks rendah ), maka kecepatan pertumbuhan tidak terpengaruh sampai konsentrasi substrat menurun pada tingkat yang sangat rendah berarti fase pertumbuhan di perlambat pendek. Jika mikrobia mempunyai afinitas rendah terhadap substrat ( nilai Ks tinggi ), maka kecepatan pertumbuhan akan terpengaruh pada tingakat konsentrasi substrat yang masih tinggi.

27 1. Penghambat oleh adanya inhibitor a. Penghambat kompetitif Pada penghambatan kompetitif, inhibitor diasumsikan berkompetisi dengan substrat untuk dapat digunakan biomassa terjadi reaksi antara biomassa (x), substrat (S) dan Inhibitor (I) X + S X + I XS XS XI P + X Adanya inhibitor kompetitif menyebabkan kecepatan pertumbuhan spesifik () berubah menjadi :

28 Berdasarkan persamaan tersebut : Inhibitor kompetitif akan meningkatkan harga Ks dengan factor sebesar (1+I /ki ), sedangkan nilai maks tetap Inhibitor kompetitif mempengaruhi aktifitas antara biomassa dan substrat

29 b.penghambat non kompetitif diasumsikan inhibitor bereaksi dengan biomassa pada satu sisi yang berbeda dengan sisi yang digunakan untuk reaksi substrat tenpa mempengaruhi afinitas substrat. Reeaksi yang terjadi : X + S XS X + I XI XS + I IXS XI + S IXS XS P + X Kecepatan pertumbuhan berubah menjadi

30 Dari rumus dapat diartikan bahwa µ maks menjadi lebih kecil dengan factor sebesar 1/α, sedangkan nilai Ks tetap.

31 2. penghambatan oleh substrat Beberapa substrat tertentu ( alcohol, fenol, hidrokarbon ) bila jumlahnya berlebihan dapat menyebabkan penghambatan. Reaksi yang terjadi adalah : X + S XS + S XS XS XSS P + X Penghambatan Kecepatan Pertumbuhan Dirumuskan : µ = µ maks. S.Ki S.Ki+Ks Ki+S 2

32 Hubungan antara kecepatan pertumbuhan spesifik ( µ ) dengan kadar substrat ( sebagai inhibitor ) dapat di gambarkan dengan grafik :

33 Berarti semakin tinggi kadar substrat yang di gunakan, kecepatan pertumbuhan meningkat sampai kadar substrat mencapai kadar kritis. Jika konsentrasi substrat terus di tingkatkan maka kecepatan pertumbuhan menurun µ akan mencapai µ maks pda kadar substrat sama dengan ki. ks

34 3. pengaruh activator terhadap pertumbuhan. Activator untuk pertumbuhan merupakan senyawa yang tidk digunakan untuk pertumbuhan dan tidak mengalami metabolism, tetapi dapat mempengaruhi kecepatan pertumbuhan yaitu meningkatkan kecepatan pertumbuhan maksimum.

35