PERTUMBUHAN MIKROBIA DALAM BIOREAKTOR

Pokok Bahasan III

PERTUMBUHAN MIKROBIA DALAM BIOREAKTOR

Deskripsi Singkat

Pertumbuhan  mikrobia  adalah  peningkatan  semua  komponen  sel  sehingga menghasilkan peningkatan ukuran sel dan jumlah sel (kecuali mikrobia yang berbentuk filamen) akan menyebabkan peningkatan jumlah individu didalam populasi. Pertumbuhan  mikrobia  dalam  bioreaktor  terjadi  secara  pertumbuhan  individu
sel  dan  pertumbuhan  populasi,  pertumbuhan  individu  sel  meliputi  peningkatan substansi  dan  komponen  sel,  peningkatan  ukuran  sel  serta  pembelahan  sel.  Sedang pertumbuhan  populasi  meliputi  peningkatan  jumlah  akibat  pembelahan  sel  dan peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesa ensim.
Dalam  pertumbuhan  mikrobia  juga  terlibat  proses  metabolik  yaitu  mulai  dari transpot  nutrien  dari  medium  kedalam  sel,  konversi  bahan  nutrien  menjadi  energi  dan konstituen  sel,  replikasi  kromosorn,  peningkatan  ukuran  dan  masa  sel  serta pembelahan  sel  secara  biner  yang  terjadi  pula  pewarisan  genetik  (genom  turunan)  ke sel anakan.
Dalam  bab  ini  akan  dibahas  tentang  kinetik  pertumbuhan  mikrobia  dalam sistem  sekali  unduh,  kontinyu  dan  kultur  terputus,  studi  kinetika  pertumbuhan  dan fermentasi  diperlukan  sebagai  dasar  untuk  memahami  setiap  proses  fermentasi . Kinetika  pertumbuhan mikrobia  terutama  menguraikan  tentang  kecepatan  produksi  sel (biomasa)  dan  pengaruh  lingkungan  terhadap  kecepatannya.  Pengamatan pertumbuhan mikrobia tidak cukup untuk rnengetahui apakah biakan tumbuh atau tidak
(pengamatan kuantitatif) tetapi  juga  diperlukan  pengamatan  yang  bersifat kualitati f  dan studi kinetika pertumbuhan.
Pengukuran  pertumbuhan  secara  kuantitatif  disajikan  dalam  bentuk  kurva  yang menunjukkan  hubungan  antara  waktu  dan  jumlah  biomasa.  Data  pengamatan pertumbuhan mikrobia perlu diamati parameter-parameter seperti :
1.  Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)
2.  Waktu rnengganda (doubling time)
3.  Hasil pertumbuhan (growth yield)
4.  Kemampuan metabolisme (metabolic quosient)
5.  Affinitas substrat
6.  Jumlah maksimum biomasa

Kinetika  untuk  pertumbuhan  mikrobia  pembentuk  koloni,  filamen  maupun mobilisasi sel memiliki kinetika pertumbuhan yang lebih kompleks. Tujuan Instruksional khusus Setelah mahasiswa mempelajari  pokok  bahasan  tentang  pertumbuhan mikroba dalam  bioreaktor,  maka  mahasiswa  mampu  mengetahui  pertumbuhan  dan menerapkan  sistem  pertumbuhan  serta  kinetikanya  pada  sistim  sekali  unduh.  continue dan fedbatch culture.
Apakah yang dimaksud pertumbuhan untuk mikrobia ?
Definisi  umum  :  peningkatan  semua  komponen  di  dalarn  sel  sehingga menghasilkan  suatu  peningkatan  ukuran  sel  dan  pembelahan  sel  (kecuali  rnikrobia yang  membentuk  filamen)  sehingga  terjadi  peningkatan  jumlah  individu  di  dalam populasi.

Pertumbuhan mikrobia di dalam bioreaktor :
1.  Pertumbuhan individu sel
   a.  Peningkatan substansi dan komponen sel
   b.  Peningkatan ukuran sel
   c.  Pembelahan sel
2.  Pertumbuhan populasi
   a.  Peningkatan jumlah akibat pembelahan sel
   b.  Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis ensim

Bagaimana mekanisme terjadinya pertumbuhan mikrobia ?
Reproduksi sel bakteri:
1.  Pembelahan  biner  :  proses  pembelahan  sel  menjadi  dua  sel  anakan  yang mempunyai ukuran hampir sama.
2.  Melibatkan 3 proses:
  a.  Peningkatan  ukuran  sel  (pemanjangan  sel): memerlukan  pertumbuhan  dinding sel, yaitu untuk  
  menutup permukaan pada sisi tertentu.
  b.  Replika DNA
  c.  Pembelahan  sel

Cara-cara penentuan Pertumbuhan :
1.  Menentukan jumlah dalam suatu populasi
   a.  Dengan plating menggunakan medium yang sesuai, diperoleh : jumlah x ml(pangkat) -1
   b.  Menghitung secara langsung dengan pengecatan sederhana : jumlah x ml(pangkat) -1
2.  Mengukur kerapatan/densitas
  a.  Kerapatan optik dengan spektrofotometer (Absorbansi 450-660 nm)
  b.  Berat kering melalui flitrasi kultur dengan filter (0.20 mm) : mg berat kering x ml(pangkat)-1

Beberapa  parameter  yang  harus  ditentukan  didalam  penentuan  pertumbuhan kultur :
1.  Jumlah generasi (n)
2.  Kecepatan membelah sel (jumlah jam-1)
3.  Waktu generasi rata-rata (jam)

Pengukuran pertumbuhan berdasarkan masa bakteri
1.  Secara langsung:
  a.  Biomasa berdasarkan berat kering (gl(pangkat)-1) dengan melalui sentrifugasi
  b.  Aktivitas metabolik atau ensim, melalui analisis :
·  Kandungan N total di dalam kultur dengan teknik mikro Kjeldhal (gl(pangkat)-1)
·  Kandungan C di dalam kultur dengan menggunakan fenol-suifat (gl(pangkat)-1)
·  Kandungan protein dengan metoda Lowry
·  Kandungan asam nukleat
2.  Pengukuran pertumbuhan secara tidak langsung berdasarkan aktivitas metabolic :
  a.  Keperluan oksigen untuk pertumbuhan
  b.  CO2 yang dilepaskan dan asam organik yang terbentuk
  c.  Kekeruhan kultur bakter

Pengukuran  parameter  pertumbuhan  dikerjakan  dengan  interval  waktu  sesingkat mungkin sehingga dapat dideteksi pertumbuhan eksponensial.
Pengaruh kecepatan pertumbuhan pada fisiologi sel
1.  Semakin tinggi kecepatan pertumbuhan semakin tinggi biomasa
2.  Semakin  tinggi  kecepatan  pertumbuhan  sel-sel  menjadi  Iebih  besar  dan mengandung komponen lebih banyak, antara lain: DNA, RNA dan protein
3.  Konsentrasi makromolekul meningkat
4.  RNA  relatif  lebih  banyak  dibanding  dengan  makromolekul  lain,  karena  ribosom meningkat jumlahnya.
5.  Semakin tinggi kecepatan pertumbuhan sel semakin tinggi jumlah DNA

Fase-fase pertumbuhan mikrobia
1.  Penentuan  fase-fase  pertumbuhan  dapat  dikerjakan  dengan  menumbuhkan  kultur bakteri  dengan  jumlah  tertentu  ke  medium  baru.  Pertumbuhan  dipantau  dengan pengukuran  konsentrasi  sel  pada  interval  waktu  tertentu  (jam).  Perubahan konsentrasi sel pada waktu tertentu dapat diplot menjadi kurva pertumbuhan.
2.  Pengukuran  pertumbuhan  dilakukan  dengan  menggunakan  sistem  tertentu,  antara lain  kultur  sekali  unduh  (batch  culture),  kultur  berkesinambungan  (contuous culture), dan kultur terputus (fed-batch culture).

PERTUMBUHAN KULTUR BAKTERI
1.  Dengan menggunakan sistem pemeliharaan khusus:
  a.  Kultur sekali unduh (batch culture)
  b.  Kultur berkesinambungan (contuous culture)
  c.  Kultur terputus (fed-batch culture).
2.  Memerlukan kultur murni
3.  Medium yang tepat
4.  Bejana untuk berlangsungnya pertumbuhan yang disebut bioreaktor.

Kultur sekali unduh (batch culture)
1.  Merupakan sistem tertutup
2.  Medium  segar  yang  berupa  nutrien  dengan  jumlah  tertentu  diinokulasi  dengan bakteri yang telah diketahui jumlahnya
3.  Nutrien akan habis dan terjadi akumulasi hasil akhir
4.  Untuk  mempelajari  beberapa  parameter  pertumbuhan,  dan  faktor  lingkungan  yang mempengaruhi pertumbuhan
5.  Untuk produksi biomasa, metabolit primer dan metabolit sekunder
6.  Kultur akan tumbuh melalui beberapa fase
  a.  Setelah  inokulasi  terdapat  suatu  waktu  dimana  tidak  tampak  adanya pertumbuhan.  Fase  tersebut  adalah  fase  lag  yang  merupakan  waktu beradaptasi.
  b.  Di  dalam  proses  komersial  lama  fase  lag  diusahakan  sependek  mungkin,  yaitu dengan menyiapkan inokulum yang sesuai dan sehat
  c.  Fase  berikutnya  terjadi  peningkatan  kecepatan  pertumbuhan,  sel  tumbuh konstan  dan  mencapai  kecepatan  rnaksimurn.  Fase  ini  adalah  fase eksponensial.
  d.  Persamaan untuk fase eksponensial adalah                                        dx/dt = m x
                                                                  Dimana   x : konsentrasi biomasa mikrobia
                                                                                 t : waktu (jam)
                                                                                m : kecepatan pertumbuhan spesifik (per jam = jam-1)
e.  Dalam integrasi maka :                                      xt =  x0 e(pangkat)mt
f.  Bila digunakan log normal :                                 ln x t = ln x0 + mt
7.  Selama fase  eksponensial  akan  dicapai kecepatan  pertumbuhan maksimum  (mmax).
Kecepatan  pertumbuhan  maksimum  sangat  spesifik  untuk  masing-masing  jenis mikrobia.  Misal  aspergillus  nidulans  mempunyal  mmax  =  0,36;  Methylomonas methyanolytica m max = 0,53.
8.  Mikrobia  tumbuh  mengkonsumsi  makanan  dan  mengekskresikan  hasil  akhir.  Hasil akhir yang terbentuk dapat mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.
9.  Suatu  saat  pertumbuhan  akan  berhenti  dan  bahkan  mati.  Berhentinya pertumbuhan disebabkan karena :
   a.  Kekurangan makanan yang tersedia di dalam medium.
   b.  Terjadi akumulasi produk yang bersifat ototoksik terhadap jasadnya.
   c.  Kombinasi keadaan tersebut diatas.
10.  Untuk  mengetahui  berapa  banyak  substrat  pertumbuhan  diperlukan,  dapat dilakukan  percobaan  pertumbuhan  mikrobia  dengan  menggunakan  konsentrasi  substrat  yang  berbeda,  hasilnya  dapat  dinyatakan  dalam  persamaan  sebagai berikut:                           x = Y (S0 – St)
x : konsentrasi biomasa yang dihasilkan,
Y : faktor hasil
S0 : konsentrasi substrat awal
St : substrat tersisa
11.  Penurunan  kecepatan  pertumbuhan  dan  berhentinya  pertumbuhan  yang disebabkan  karena  kekurangan  substrat,  maka  dapat  diamati  hubungan  antara  m dan  substrat yang  tersisa di dalam medium yaitu melalui persamaan Monod  (1942)
12.  S  :  konsentrasi  substrat  tersisa.  Ks  :  konsentrasi  substrat  ketika  m  =  ½  m max  K.
biasanya digunakan untuk mengukur afinitas atau spesifikasi substrat
a.  Kalau  nilai  K  rendah  artinya  bahwa mikrobia  tersebut mempunyai  afinitas  tinggi untuk  substrat  pertumbuhannya  maka  kecepatan  pertumbuhan  tidak terpengaruh oleh kurangnya substrat
b.  Kalau  nilai  K  tinggi  maka  mikrobia  tersebut  rnempunvai  afinitas  rendah  untuk substratnya,  artinya  kecepatan  pertumbuhan  sangat  dipengaruhi  oleh konsentrasi substrat yang relatif tinggi. Kecepatan pertumbuhannya rendah.
13.  Fase  stasioner  pada  kultur  sekali  unduh  merupakan  titik  dimana  kecepatan pertumbuhan turun menjadi nol.
14. Menurut Bull (1974): fase stasioner merupakan istilah yang salah karena pada fase ini  populasi  mikrobia  tetap  akti f  melakukan  metabolisme  dan  aktif  menghasilkan metabolit  sekunder.  Maka  fase  ini  dapat  dikatakan  sebagai  fase  populasi maksimum.
15.  Beberapa contoh metabolit sekunder: Asam giberelat.
16.  Berdasarkan  tipe  produk  metabolisme  yang  dihasilkan  selama  pertumbuhan, dikenal dua tipe metabolit:
a.  Metabolit  primer  (ensim,  asam  organik  dan  alkohol)  dihasilkan  pada  fase eksponensial (trofofase).
b.  Metabolit sekunder yang dihasilkan selama fase stasioner atau fase idiofase.
17.  Kinetika  pembentukan  hasil  akhir  (produk)  oleh  kultur  mikrobia  yang  dihubungkan dengan pertumbuhan:             dp/dt = qpx ……..(1)
p : konsentrasi produk
qp : kecepatan spesifik pembentukan produk

18.  Hubungan  antara  pembentukan  produk  dan  produksi  biomasa,  dapat  dinyatakan
persamaan : dp/dx = Yp/x
Yp/x :  produk yang dihasilkan setelah mengkonsumsi substrat
19.  KaIau dp/dx = Yp/x dikalikan dx/dt = mx ® dp/dt = Yp/x . mx ……..(2)
20. Gabungan antara (1) dan (2) : qp = Yp/x. m
21.  Persamaan  di  atas  dapat  dilihat  bahwa  kecepatan  pertumbuhan  erat  hubungannya dengan  kecepatan  spesifik  pembentukan  produk.  Persyaratan  yang  harus diperhatikan di dalam kultur sekali unduh :
a.  Kondisi kultur harus steril sehingga tercapai produksi biomasa yang maksimum
b.  Memperpendek  fase  lag  dan  memperpanjang  waktu  eksponensial  : diaplikasikan untuk produksi metabolit primer.
c.  Memperpendek  fase  eksponensial  :  digunakan  untuk  produksi  metabolit sekunder.
d.  Fermentasi sekali unduh telah digunakan untuk :
·  Produksi biomasa : kondisi kultur yang mendukung populasi sel maksimum
·  Produksi  metabolit  sekunder  :  memerlukan  kondisi  untuk  mempercepat tercapainva fase stasioner.

Kultur berkesinambungan (cotinuous culture)
1.  Penambahan media baru untuk memperpanjang fase eksponensial
2.  Penambahan  substrat  yang  terus  menerus  dengan  kecepatan  alir  tertentu
sehingga  mencapai  keadaan  tunak  steady  state  yang  artinya  pembentukan  sel seimbang dengan terlepasnya sel keluar fermentor.
3.  Alat  turhidostat  :  sistem  yang  dilengkapi  dengan  pengukur  turbiditas,  signal  listrik yang digunakan untuk mengatur aliran media segar kedalam bejana fermentasi.
4.  Aliran  medium  masuk  ke  dalam  fermentor  secara  berkesinambungan  dengan kecepatan  tertentu,  maka  segera  tercapai  keadaan  tunak  (steady  state),  yaitu keadaan  dimana  pembentukan  biomasa  baru  seimbang  dengan  hilangnya  sel-sel yang  keluar  fermentor.  Aliran  medium  tersebut  erat  hubungannya  dengan  volume fermentor, sehingga menimbulkan kecepatan pengenceran (D) :        D = F /V
F : kecepatan alir
V : isi fermentor
D : kecepatan alir medium
5.  Alat  kemostat:  alat  yang  digunakan  untuk  mengukur  pertumbuhan  yang  dilengkapi
dengan  bejana  penyimpan  media,  dialirkan  dengan  kecepatan  tertentu,  sehingga  tidak  terjadi  akumulasi  hasil  akhir.  Bahkan  kemungkinan  terjadi  pengenceran  dan menyebabkan  sel  terbuang  keluar  (washed  out).

Artikel / File ini diambil dari elisa.ugmac.id dimana file ini merupakan karya dari dosen Fakultas Biologi UGM pengampu materi kuliah Mikrobiologi Industri