Fermentasi Unit Proses Industri Ubi Kayu

Fermentasi adalah suatu proses perubahan-perubahan kimia dalam suatu substrat organik yang dapat berlangsung karena aksi katalisator-katalisator biokimia, yaitu enzim yang dihasilkan oleh mikroba-mikroba hidup tertentu. Sebagai suatu metabolisme, fermentasi memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

1.  Oksidasi berlangsung tidak sempurna
2. Transformasi sejumlah besar substansi oleh sejumlah kecil  jasad hidup
3. Energi yang dihasilkan relatif rendah, kira-kira 1/25 dari jumlah energi yang dihasilkan di dalam proses pernapasan (respirasi).

Mikroba-mikroba dalam fermentasi meliputi ragi, kapang, dan bakteri. Karena organisme-organisme tersebut tidak memiliki klorofil sendiri, mereka tidak dapat melakukan fotosintesis, sehingga harus mendapatkan makanannya dari bahan-bahan organik. Mikroba semacam itu termasuk Thallophyta. Meskipun mereka memiliki ciri morfologi, bentuk dan ukuran, serta cara perkembangbiakan yang berbeda, namun mereka memiliki persamaan, yaitu dapat menghasilkan enzim.

Ragi dan bakteri sel tunggal. Ragi berbentuk oval tak beraturan dengan diameter 0,005mm. Umumna berkembang biak dengan cara membentuk tunas. Bakteri berukuran lebih kecil, biasanya berbentuk bulat panjang, dan berkembang biak dengan cara pembelahan. Kapang merupakan benang-benang bersel banyak, dan bertambah panjang karena perkembangbiakan vegetatif benang-benang tersebut.

Aktivitas dan stabilitas enzim sangat dipengaruhi oleh suhu dan pH. Senyawa-senyawa tertentu, misalnya eter dan feniluretan, dapat memperkecil atau meniadakan aktivitas enzim tanpa menurunkan stabilitasnya. Sejumlah besar enzim memerlukan bantuan aktivator atau kofaktor, yang dapat berupa ion-ion logam sederhana, misalnya magnesium, seng, mangan, atau besi; ataupun merupakan senyawa-senyawa yang lebih kompleks dan khusus, yang dapat menstransfer proton dan elektron dari substrat. Senyawa-senyawa kompleks tersebut meliputi:

•  Nicotenamide adenine dinucleotide (NAD), dan nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP).
• Flavin mononucleotide (FMN) dan flavin adenine dinucleotide (FAD).

Energi yang dihasilkan dari pengambilan proton atau elektron dari substrat sebagian diwujudkan dalam bentuk panas, tetapi sebagian lain digunakan untuk pembentukan ikatan-ikatan organik yang kaya akan energi. Ikatan-ikatan tersebut biasanya mengandung fosfat atau belerang.

Reaksi pembentukan ikatan-ikatan tersebut dapat berbalik, dan jika energi diperlukan untuk menggerakkan suatu reaksi, maka senyawa-senyawa organik tersebut dapat menyediakan dengan jalan melepas energi bebasnya dalam proses hidrolisis. Di antara senyawa-senyawa organik tersebut yang paling penting adalah adenosine triphosphate (ATP), yang di dalam reaksi menghasilkan adenosine diphosphate (ADP).

Suatu senyawa organik lainnya yang dapat membebaskan sejumlah energi seperti halnya ATP, adalah derivat nukleotida yang dinamakan co-enzym A (CoA); daripadanya diperoleh asetil-S-CoA.

Pada awalnya yang dimaksudkan dengan fermentasi adalah p[roses konversi gula menjadi etil alkohol oleh mikroba tertentu. Menurut Gay Lussac, reaksi yang berlangsung adalah sebagai berikut:

C₁₂H₂₄O₁₂  çè 4CO₂ + 4C₂H₅OH

Baru kemudian dimodernisasi menjadi:

C₆H₁₂O₆ çè 2CO₂ + 2C₂H₅OH

Reaksi-reaksi fermentasi modern dapat menghasilkan bahan-bahan tertentu dari bahan-bahan yang mengandung glukosa (dekstrosa), seperti tampak pada tabel di bawah.

Enzim, terutama yang berhubungan dengan fermentasi karbohidrat, biasanya bersifat intraselular. Inti senyawa adalah protein yang berikatan atau mengandung substansi-substansi sederhana, misalnya logam-logam, logam organo-metalik, atau ikatan-ikatan organik lainnya. Enzim bekerja secara spesifik, artinya setiap jenis enzim hanya menjadi katalisator untuk satu reaksi atau tipe reaksi. Berdasarkan pengaruh atau efeknya, enzim dalam industri diklasifikasikan menjadi dua golongan utama, yaitu hidrolase dan desmolase.

Reaksi-reaksi fermentasi modern:

Organisme	Produk utama	Reaksi (disederhanakan)
Fermentasi anoksidatif
Ragi	etil alkohol	C6H12O6 è 2C2H5OH + 2CO2
	gliserol	C6H12O6 è C3H8O3 + C2H4O + CO2
Bakteri	butanol-aseton	2C6H12O6 è C4H10O + C3H6O + 5CO2 + 4H2
	asam butirat	C6H12O6 è C4H8O2 + 2CO2 + 2H2
	asam laktat	C6H12O6 è 2C3H6O3
	2,3-butanediol & etil alkohol	2C6H12O6 è C4H10O2 + 2C2H5OH + 4CO2 + 2H2
	asam propionat	3 C6H12O6 è 4C3H6O2 + 2C2H4O2 + 2CO2 + 2H2O
Kapang	asam itakonat	C6H12O6 è C5H6O4 + CO2 +3H2
Fermentasi oksidatif
Ragi	Ragi roti, ragi pakan dlsb
Bakteri	asam cuka	C6H12O6 + 2O2 è 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O
	asam sitrat	2C6H12O6 + 3O2 è 2C6H8O7 + 4H2O
	asam fumarat	C6H12O6 + 3O2 è C4H4O4 + 2CO2 + 4H2O

Enzim glukosa isomerase untuk proses kontinu

Perusahaan Jepang, Nagase & Co. Ltd. Bekerja sama dengan Denki Kagaku Kogyo K.K. memproduksi enzim tipe ini dengan nama perdagangan Sweetase, sedangkan NOVO-Denmark memperdagangkannya dengan nama Sweetzyme type Q.

Produktivitas enzim ini, didefinisikan sebagai kg fruktose syrup yang berhasil diisomerisasikan per kg enzim selama usia aktif dari enzim tersebut. Produktivitas dengan demikian merupakan pengaruh gabungan antara aktivitas dan stabilitas enzim. Stabilitas enzim adalah kemampuan dari enzim tersebut untuk menjaga agar aktivitasnya selalu tinggi. Produktivitas enzim glukosa isomerase biasanya sekitar 2.000-3.000 kg per kg enzim.

Produktivitas enzim juga dipengaruhi oleh berbagai faktor atau parameter, yaitu:

Suhu operasi

Suhu mempegaruhi aktivitas, stabilitas, dan pembentukan zat warna. Makin tinggi suhu operasi, makin besar aktivitas enzim, tapi menurunkan stabilitasnya, serta pembentukan zat warna makin banyak pula. Sebaliknya suhu yang makin rendah dapat menaikkan stabilitas dan megurangi kemungkinan pembentukan zat warna, namun produktivitas dan aktivitas enzim menurun. Suhu operasi yang dianjurkan adalah 60⁰C, yaitu 61⁰C pada pemasukan dan sekitar 59⁰C pada keluaran.

pH

pH dari sirup yang akan diolah juga mempengaruhi aktivitas, stabilitas enzim, serta pembentukan zat warna. Aktivitas maksimum dicapai pada pH sekitar 7,8-8,3 dan aktivitas tersebut menurun dengan cepat pada pH di bawah 7,0. Enzim menjadi tidak aktif pada pH di bawah 5,0 dan di atas 9,0. Stabilitas enzim tertinggi dicapai pada pH sekitar 7,0-8,0. Stabilitas tersebut turun dengan cepat pada pH di atas 8,5 dan di bawah 6,5. Meskipun pada pH tinggi pembentukan warna makin banyak, namun karena waktu tinggal yang relatif pendek, serta dapat dihilangkan dengan pemberian karbon aktif, maka pH pemasukan sebaiknya di atur sekitar 8,2, agar pH keluaran sekitar 7,0-8,0 (pH di sini diukur pada 25⁰C).

Waktu kontak

Agar pembentukan hasil samping, di antaranya berupa zat warna dapat ditekan seminimal mungkin, waktu kontak diatur secepat mungkin, biasanya sekitar 1-2 jam.

Aktivator

Ion magnesium adalah aktivator yang baik untuk enzim glukosa isomerase. Jumlah ion magnesium yang dibubuhkan bergantung pada kemurnian sirup glukosa (dekstrosa), biasanya sekitar 1x10^-3 sampai 5x10^-3 mol/l.

Inhibitor

Kemurnian larutan dekstrosa dapat mempengaruhi aktivitas enzim. Terutama kalsium, oksigen terlarut dan senyawa-senyawa nitrogen harus segera dihilangkan dari larutan dekstrosa dengan cara perlakuan karbon aktif, penukar ion, dan penguapan di bawah vakum.

Konsentrasi larutan

Agar produktivitas enzim dapat dicapai setinggi-tingginya, diharapkan konsentrasi sirup dekstrosa pada pemasukan juga setinggi-tingginya. Untuk larutan Dekstrosa dari hasil hidrolisis pati, konsentrasi dekstrosa di dalam larutan (disebut DX) normalnya berkisar antara 93-96%.

Berdasarkan uraian tersebut diatas, sejenak sebelum sirup dekstrosa dimasukkan ke dalam kolom isomerisasi, sirup tersebut harus diatur agar dapat memenuhi syarat-syarat berikut:

pH	8,2 (diukur pada 250C)
suhu	610C
kandungan bahan kering	40% berat
DX	93-96% bahan kering
MgSO47H2O	0,1g/l atau lebih
Kalsium	1 ppm atau kurang

Glukosa isomerase untuk proses terputus

Enzim ini oleh NOVO dijual dengan merk dagang Sweetzyme type A, yang diproduksi dari jenis basilus. Sebagai aktivator dari enzim ini digunakan ion Mg⁺⁺, dan sampai batas tertentu dapat digunakan juga ion kobalt. Inhibitor enzim ini adalah Ca⁺⁺. Karena Ca⁺⁺ dan Mg⁺⁺ merupakan ion-ion kompetitor, maka kelebihan ^Ca++ di dalam hidrolisat dapat diatasi dengan cara membubuhkan ^Mg++ lebih banyak. Perbandingan molar antara Ca dan Mg di dalam larutan harus dijaga sekitar 1:10 atau lebih. Sebagai sumber Mg⁺⁺ biasanya digunakan MgSO₄.7H₂O. Stabilisator untuk enzim ini digunakanm Co⁺⁺ atau SO₃⁼.

Inhibitor bagi enzim ini adalah semua atau sebagian besar unsur bervalensi dua, kecuali magnesium dan kobalt. Bahan-bahan tak larut atau mengendap selama proses isomerisasi juga berpengaruh menahan bagi aktivitas enzim. Oksigen berpengaruh negatif pada stabilitas enzim. Sebab itu penguapan larutan dekstrosa dilakukan di tempat vakum.

Untuk mencegah pertumbuhan mikrobiologi, maka isomerisasi harus dilaksanakan pada konsentrasi tinggi, sebaiknya sekitar 40% berat bahan kering dan pada suhu tidak kurang dari 60⁰C. Meskipun enzim ini cukup stabil pada berbagai kondisi pH dan suhu, namun dengan meningkatnya pH dan suhu, pembentukan warna pun meningkat pula.

Aktivitas maksimum dari enzim ini diperoleh pada pH diatas 7,5, sedangklan stabilitas maksimumnya pada pH7. Pada skala temperatur antara 60-65⁰C, setiap derajat kenaikan suhu dapat meningkatkan aktivitas enzim sebesar 6-7%, sebaliknya stabilitas enzim menurun dengan cepat sehubungan dengan naiknya suhu.

Mengingat terjadinya sejumlah kecil hasil samping yang bersifat asam (kurang 10meq.per liter), maka selama proses isomerisasi pH harus selalu diawasi dan dijaga tetap dengan cara menambahkan sejumlah kecil basa, misalnya 2M NaCO₃.