kesetimbangan fermentasi 2014

KESETIMBANGAN FERMENTASI

GIYARTO

JURUSAN TEKNOLOGI HASIL PERTANIANFAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

UNIVERSITAS JEMBER2013

PRINSIP TEKNOLOGI FERMENTASI

KONTRAK KULIAH

• Komponen Nilai meliputi:– Tugas : 40 %– Ujian Tulis : 60 %.

• Model Soal Ujian Tulis : ESSAY• Nilai jawaban soal ditekankan pada kemampuan

analisis/ pemahaman masalah. BUKAN PEMINDAHAN TULISAN DARI HANDOUT

KOMPETENSI DASAR

• Mampu menjelaskan kesetimbangan fermentasi

• Mampu menjelaskan prinsip jalur fermentasi untuk produk bioproses, seperti etanol, asam laktat dan asam asetat

POKOK BAHASAN

• Kesetimbangan Fermentasi• Perhitungan Kesetimbangan Fermentasi – Metode O/R– Metode Ketersediaan Hidrogen– Metode Rekoveri Karbon

• Fermentasi Etanol• Fermentasi Asam Laktat• Fermentasi Asam Asetat

PRODUK FERMENTASI• Produk fermentasi dapat berupa :– Senyawa Tunggal (Mono Produk)– Banyak Senyawa (Multi Produk)

• Harus diukur apakah fermentasi telah sempurna atau belum ?............ Kesetimbangan Fermentasi

• Metode perhitungan Kesetimbangan Fermentasi:

– Metode O/R (O/R method)

– Metode Ketersediaan Hidrogen (H available method)

– Metode Rekoveri Karbon (C recovery method)

KEGUNAAN KESETIMBANGAN FERMENTASI

• Metode tsb digunakan untuk menghitung kesetimbangan konsumsi substrat dan produk yang dihasilkan mikroba.

• Nilai ideal kesetimbangan fermentasi = 1, bahwa semua substrat dikonversi menjadi produk fermentasi

• Efisiensi fermentasi diukur berdasarkan produk secara keseluruhan atau produk yang dikehendaki dibandingkan dengan substrat yang digunakan

• Aplikasi industri, efisiensi fermentasi dihitung menurut produk yang dikehendaki.

Kesetimbangan Fermentasi Glukosa oleh Lactobacillus pentoaceticus

Senyawa mmol C mmol

Nilai O/R

Produk Teroksidasi

Produk Tereduksi

H Tersedia

H mmol

Glukosa 100 600 0 24 2400

Laktat 100 300 0 12 1200

Gliserol 7 21 -1 7 14 98

Etanol 80 160 -2 160 12 960

Asetat 7 14 0 8 56

CO2 85 85 +2 170 0

Total 580 170 167 2314

Kesetimbangan fermentasi :Metode O/R = 167/170 = 0,98Metode Ketersediaan H = 2314/2400 = 0,96Metode Rekoveri Karbon = 580/600 = 0,97

METODE O/R

• Dasar : membuat senyawa menjadi berformula (CH2O)n

• Fakta: tidak semua senyawa substrat dan produk fermentasi memiliki formula tsb.

• Solusi:a. Jadikan rasio C/O senyawa = 1; dengan menambah atau

mengurangi molekul H2O .....(formula transformasi).

b. Buat formula pembanding (CH2O)n , sehingga jumlah atom C pada formula pembanding dan formula hasil transformasi pada butir a sama. Kemudian kurangi atom H pada formula hasil transformasi dengan formula pembanding

c. Nilai O/R diperoleh dari pembagian hasil selisih atom H dari butir b dengan – 2.

Fermentasi 100 mmol Glukosa menjadi 190 mmol Etanol dan 200 mmol CO2

1. Nilai O/R glukosa (C6H12O6) = 0; diperoleh dari :

a. Rasio C/O = 1, maka tak perlu ditransformasib. Formula pembanding adalah (CH2O)6 dan selisih H = 12-12 = 0

c. Nilai O/R = 0/0 = 0. Jadi nilai substrat = 0 x 100 = 0

2. Nilai O/R etanol (C2H6O) = - 4; diperoleh dari:

a. Rasio C/O = 2, maka ditransformasi menjadi C2H8O2 (+ 1 H2O)

b. Formula pembanding adalah (CH2O)2 dan selisih H = 8 - 4 = 4

c. Nilai O/R = 2 x (4/-2) = - 4 (tereduksi). Jadi nilai produk tereduksi = 190 x 4 = 760 .

3. Nilai O/R gas CO2 = 4; diperoleh dari:

a. Rasio C/O = 0,5, maka ditransformasi menjadi CH-2O (- 1 H2O)

b. Formula pembanding adalah (CH2O)1 dan selisih H = -2-2 = -4

c. Nilai O/R = 2 x (-4/-2) = 4 (teroksidasi). Jadi nilai produk teroksidasi = 200 x 4 = 800 .

Kesetimbangan fermentasi nya : 760/800 = 0,95

METODE KETERSEDIAAN HIDROGEN

• Prinsip: Senyawa dioksidasi oleh air menjadi CO2, shg diperoleh jumlah H tersedia pada senyawa tsb

• Untuk kasus di atas, maka ketersediaan hidrogen :– Glukosa : C6H12O6 + 6 H2O 6 CO2 + 24 H 24 x 100 = 2400.

– Etanol : C2H6O + 3 H2O 2 CO2 + 12 H 12 x 190 = 2280.

– CO2 : CO2 + 0 H .................................... 0 x 200 = 0

• Kesetimbangan fermentasi : (0 + 2280)/2400 = 0,95.

METODE REKOVERI KARBON

• Prinsip: menghitung rasio mol atom C produk & substrat• Untuk kasus di atas, maka recoveri karbon :– Glukosa : C6H12O6 ........ 6 x 100 = 600.

– Etanol : C2H6O ........ 2 x 190 = 380.

– CO2 : CO2 ........ 1 x 200 = 200.

• Kesetimbangan fermentasi : (200 + 380)/600 = 0,967.

FERMENTASI ETANOL

• Fermentasi etanol dapat dilakukan oleh :– Khamir (Saccharomyces cerevisiae)– Bakteri (Zymomonas mobilis & Pseudomonas).

Fermentasi Etanol oleh S. cerevisiae Khamir ini menggunakan jalur EMP, kondisi netral atau

sedikit asam dan anaerob. Jika kondisi mikroaerofil, 10% glukosa direspirasi jadi CO2

Rendemen fermentasi etanol : < 50 % Bila media mengandung Na-sulfit, mk dihasilkan gliserol C6H12O6 + HSO2

- C3H8O3 + CO2 + C2H4O-HSO3-

glukosa sulfit gliserol asetaldehidbisulfit

• Jika media alkali, komposisi produk : gliserol, etanol, asetat dan CO2.

C6H12O6 + 2ATP + H2O 2C3H8O3+ 2CO2 + C2H6O + C2H4O2 + 2(ADP+Pi)

glukosa gliserol etanol asetat

Fermentasi Etanol oleh Zymomonas mobilis

• Bakteri ini obligat fermentatif dan memfermentasi glukosa menjadi etanol dan CO2.

• Efisiensi fermentasi mendekati 50% • Keuntungan tipe fermentasi ini:– Produksi etanol relatif lebih cepat, karena Z. mobilis

memiliki piruvat dekarboksilase lebih banyak, yang akan mengubah piruvat lebih cepat

– Produk samping sedikit (berupa CO2)– Produksi etanol dalam media mampu mencapai 40% ( Z.

mobilis toleran etanol)

Jalur fermentasi etanol oleh S. cerevisiae (kiri) dan Z. mobilis (kanan)

Glukosa 6-Fosfat

Fruktosa 1,6 bifosfat

Gliseraldehid 3-fosfat

Piruvat

ETANOL

Keto-deoksi-glukonat

Dihidroksi-aseton fosfat

Asetat

Gliserol

ETANOL

Piruvat


Asetat

2H, H2O

ADP

ATP

ATP 2ATP, 2H

2 ATP

CO2

2H, ADP 2ADP, Pi

2ADP

CO2

2H

Pi

2H

2H

FERMENTASI ASAM LAKTAT

• BAL mampu mengubah glukosa menjadi asam laktat• Kelompok BAL : Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc,

Pediococcus dan Bifidobacterium• Ada 2 jenis fermentasi asam laktat:– Homofermentatif (glikolisis via Jalur EMP = Embden Meyerhoff Parnas)– Heterofermentatif (glikolisis via jalur HMP = Heksose Monophosphate).

Fermentasi Asam Laktat Homofermentatif

Glukosa 6-Fosfat

Fruktosa 1,6 bifosfat


Piruvat

ETANOL

Dihidroksi-aseton fosfat

Gliserol

LAKTAT

ASETAT

ADP

ATP

ATP

2 ATP

CO2

ADP

2ADP

2H

Pi

2H

Format

2H

2H


• Produk utama: asam laktat, dan sedikit produk samping berupa gliserol, etanol, asetat, format dan CO2.

• Reaksi keseluruhan:

Glukosa + 2 ADP + 2 Pi 2 Laktat + 2 ATP

• Adanya produk samping karena BAL memiliki bbg enzim yang dapat mengubah piruvat menjadi etanol dan CO2, asetat dan format, serta laktat.

• Jika piruvat tak segera diubah jadi produk, NADH dipakai untuk mereduksi dihidroksi aseton fosfat menjadi gliserol


• Fermentasi laktat idealnya dilakukan pada kondisi asam• Perubahan pH media mengakibatkan komposisi produk

berbeda• Efek pH pada fermentasi laktat oleh L. casei

Produk pH 5 pH 7 pH 8Laktat 176,3 134,3 102,0Asetat 9,5 19,2 31,5Format 13,1 26,6 47,3Etanol 5,0 12,7 18,7Efisiensi Fermentasi (%) 91,3 87,7 84,0

FERMENTASI ASAM LAKTAT HETEROFERMENTATIF

• BAL heterofermentatif menghasilkan asam laktat dan produk lainnya dengan rasio yang seimbang

• Glukosa dioksidasi jadi piruvat & asetil fosfat via jalur HMP• Piruvat direduksi jadi laktat; dan asetil fosfat direduksi jadi

etanol• Reaksi keseluruhan: Glukosa + ADP + Pi Laktat + etanol + CO2 + ATP

Glukosa 6-Fosfat

Fosfoglukonolakton


Piruvat

ETANOL

Asetil fosfat

LAKTAT

Asetaldehid

2H

2 ATP

2ADP

2H

Pi

2H

2H

2H

Ribolusa 5-fosfat

Xilulosa 5-fosfat

2H CO2

Pi

Pi

FERMENTASI ASAM LAKTAT JALUR BIFIDUM

• Ditemukan pada Bifidobacterium bifidum, via glikolisis dengan modifikasi jalur Pentosa Fosfat .

• Reaksi keseluruhan : Glukosa + 5 ADP + 5 Pi 2 Laktat + 3 Asetat + 5 ATP

FERMENTASI ASAM LAKTAT JALUR BIFIDIUM

Fruktosa 6-Fosfat

Eritrosa 4-fosfat

2 Gliseraldehid 3-fosfat

2 Piruvat

2 Asetil fosfat

2 LAKTAT

Asetat

Pi

4 ATP

4 ADP

4H

2Pi

4H

Ribolusa 5-fosfat

Xilulosa 5-fosfat

Glukosa

ADP

ATP


Glukosa Fruktosa 6-Fosfat

ATP ADP

Asetil fosfat

ATP

ADP

2 ASETAT

Sedoheptulosa 7-fosfat

2Pi

2 ADP

2 ATP

FERMENTASI ASETAT

• Clostridium thermoaceticum dan Desulfotomaculum thermobenzoicum mampu memfermentasi piruvat menjadi asetat via jalur Asetil KoA.

• Reaksinya disebut Asetogenesis• Reaksi keseluruhan asetogenesis:

4 Piruvat + 4 ADP + 4 Pi 5 Asetat + 2 CO2 + 4 ATP

• Acetobacter dan Gluconobacter mampu memfermentasi glukosa dan etanol menjadi asetat

• Reaksi keseluruhan oksidasi fermentasi etanol jadi asetat

2 Etanol + O2 2 Asetat + 4 H

Asetogenesis pada Desulfotomaculum thermobenzoicum

4 Piruvat

4 Asetil KoA

4 Asetil fosfat

Asetat

4 CO2; 8H

4 CoASH

4 ATP

4ADP

4 CoASH

4 Pi

FERMENTASI ASETAT OLEH GLUCONOBACTER

Fruktosa 6-Fosfat

Eritrosa 4-fosfat

2 Gliseraldehid 3-fosfat

2 Asetil fosfat

Asetat

Pi

Ribolusa 5-fosfat

Xilulosa 5-fosfat

Glukosa

ADP

ATP


Fruktosa 1,6-bifosfat

Fruktosa 6-Fosfat

Pi

Asetil fosfat

ATP

ADP

2 ASETAT

Sedoheptulosa 7-fosfat

2Pi

2 ADP

2 ATP

MOTIVASI

• Ambisi dan mimpi kita adalah samudra.Meski terjadi pasang surut, tapi takkan pernah surut airnya.

• Maka, bersemangatlah selalu, meski untuk perkerjaan sekecil apapun. Jangan pernah menunda apa yang bisa dilakukan hari ini.

• Ingatlah, kita manusia diciptakan dalam kondisi luar biasa! Hindari selalu menunggu motivasi untuk bergerak, tetapibergeraklah sekarang juga, dan dirimu akan termotivasi dengan sendirinya! (Anne Hira)

TUGAS 1• Dalam implementasi teknologi fermentasi untuk mengha-

silkan produk bioproses, maka dapat diprediksi jenis dan jumlah produk metabolit yang akan diperoleh dari substrat digunakan, yaitu dengan menghitung kesetimbangan fermentasi.

Bila suatu fermentasi digunakan glukosa sebanyak 750 mmol sebagai substrat dengan bantuan mikroba multi-kultur sehingga dihasilkan etanol 600 mmol, asam asetat 350 mmol, dan gas karbondioksida 700 mmol. – Jelaskan metode yang dipakai untuk menghitung

kesetimbangan fermentasi– Hitunglah nilai kesetimbangan fermentasi dari proses tersebut.– Dikumpulkan 10 November 2014

kesetimbangan fermentasi 2014

Documents