Pertumbuhan Mikrobial Isolation, purification, identification, and fermentation medium optimization of antibiotic produced by marine actinomycetes
antara ln X versus waktu. Ini adalah periode pertumbuhan seimbang atau kondisi mantap dengan laju pertumbuhan spesifik konstan. Sel mikroba membelah dengan
cepat dan konstan sehingga jumlah pertumbuhan selnya mengikuti kurva logaritmik. Pada saat laju pertumbuhan atau reproduksi selular mencapai titik
maksimum, maka terjadi pertumbuhan secara logaritmik atau eksponensial. Pada fasa ini keadaan pertumbuhan adalah mantap. Dengan laju pertumbuhan spesifik,
μ tetap, komposisi selular tetap, sedangkan komposisi kimiawi medium biakan berubah akibat terjadinya sintesis produk dan penggunaan substrat.
Pada fase eksponensial, laju pertumbuhan, dxdt meningkat berbanding lurus dengan X. Laju pertumbuhan spesifik tetap dan mencapai nilai maksimal.
Laju pertumbuhan dapat digambarkan dengan persamaan sebagai berikut Stanbury dan Whitaker, 1984;
dXdt = μ
m
X..........................................1 Dari persamaan 1 apabila dilakukan integrasi akan diperoleh persamaan sebagai
berikut; ln X
1
= lnX
o
+ μ t ..............................2
dari persamaan 2 maka laju pertumbuhan spesifik μ merupakan kemiringan
kurva hasil pengaluran plotting ln X
1
konsentrasi biomassa terhadap waktu t. Pertumbuhan berbanding lurus dengan kerapatan selular mikroba,
r
x
= dxdt = μ
m
X …………………..…..3 pada fasa ini : logX
2
– log X
1
= μ
m
t2-t1 ….……...…4 maka
X
2
= X
1
e
μm
t2-t1 ……………………..5 apabila pada saat T
g
adalah X
2
= 2X
1
maka T
g
=ln2 μ
m =
0,69 μ
m
…………………..6 Tg = waktu penggandaan waktu yang diperlukan untuk mendapatkan
konsentrasi biomassa X menjadi dua kali konsentrasi awal Xo pada fasa eksponensial.
Pada beberapa titik laju pertumbuhan mulai menurun karena nutrisi dasar telah menjadi berkurang dan hambatan oleh adanya produk metabolik yang
terakumulasi. Sel-sel tersebut selanjutnya akan mengalami transisi, sehingga laju pertumbuhan menjadi nol dan memasuki ke fase stasioner.
Fase stasioner akan terjadi setelah semua sel berhenti membelah diri atau bila sel hidup dan sel mati mencapai keseimbangan, yaitu dengan laju kematian.
Namun meskipun pertumbuhan telah berhenti, mungkin saja masih dapat berlangsung proses metabolisme dan akumulasi produk dalam sel atau dalam
kaldu fermentasi. Pada awal fase stasioner, konsentrasi konsentrasi biomassa mengalami maksimal. Fasa penurunan ditandai dengan berkurangnya jumlah sel
hidup dalam medium akibat kematian yang diikuti autolisis sel oleh enzim selular. Beberapa kemungkinan yang terjadi apabila inkubasi tetap dilakukan, pertama
massa sel total mungkin konstan, kedua masa sel hidup cenderung menurun, ketiga terjadi lisis sel dan masa sel menurun drastis atau sel hidup meningkat
kembali oleh pertumuhan kriptik. Pola pertumbuhan sel selama fase lag, fase log, dan fase stasioner disajikan dalam Gambar 2.
Fase lag
Fase eksponensial
Fase stasioner
waktu
Ko nse
n tr
asi bi
omassa
a b
c
Keterangan : a.massa sel tanpa terjadi lisis
b.massa sel terjadi lisis, diikuti pertumbuhan kriptik c.jumlah sel hidup dengan terjadi lisis
Gambar 2 Pola pertumbuhan sel selama fase lag, fase log, dan fase stasioner Wang 1979
Berdasarkan kajian pertumbuhan mikroba, dapat ditentukan parameter pertumbuhan seperti koefisien konversi atau rendemen produktivitas.
Y
xs
= X
f -
X
o
……………………………..7 S
o
- S Keterangan:
So : konsentrasi awal substrat
S : konsentrasi substrat tersisa yang umumnya mendekati nol dan dapat
diabaikan dibandingkan nilai S
o
apabila jauh lebih besar.
Nilai Y
xs
dinyatakan dalam bobot sel kering per bobot atau mol substrat yang dikonsumsi rendemen molekuler. Produktivitas bobot biomassa yang dihasilkan
per volume medium per jam merupakan kriteria untuk mengevaluasi proses fermentasi. Produktivitas maksimal dicapai pada waktu t
m
dan konsentrasi X
m,
sehingga; P
m
= X
m
t
m
………..…….……8 Bila produktivitas total dinyatakan sebagai berikut;
P
t
= X
t
t
t
………………………9 Hubungan laju pertumbuhan mikroba
μ dengan konsentrasi substrat S telah digambarkan oleh Monod berdasarkan analogi model kinetik enzimatik Michaelis
Menten. Persamaan matematik hubungan laju pertumbuhan dengan konsentrasi substrat adalah sebagai berikut;
………………...………10 μ = μ
m
S Ks + S
Ks merupakan konstanta penggunaan substrat yang menunjukkan afinitas mikroba terhadap substrat. Ks merupakan konsentrasi substrat pada saat
μ = μ
m
2. Pengaruh konsentrasi substrat terhadap laju pertumbuhan spesifik digambarkan
pada Gambar 3. Berdasarkan model Monod, laju pertumbuhan r
x
dapat dinyatakan sebagai berikut;
………….11 r
x
= μ X = μ
m
S X Ks + S
a c
b
Substrat g L
-1
μ jam
-1
Keterangan : a. Pembatasan oleh substrat
b.Tidak ada pengaruh oleh substrat c. Penghambatan oleh substrat berlebih
Gambar 3 Pengaruh konsentrasi substrat S terhadap laju pertumbuhan spesifik
Wang et al.1979.
Pada kinetika pertumbuhan mikroba dalam kondisi keseimbangan kimiawi, pertumbuhan sel, pembentukan produk berkaitan erat dengan
penggunaan hara atau substrat. Pada fermentasi curah, laju penggunaan substrat persatuan volume, secara sederhana berbanding lurus dengan laju pertumbuhan.
rs = 1Y
xs
rx karena rx = μX maka rs = μX Y
xs
µ = dxdt. 1x Y
xs
adalah rendemen biomassa yang terbentuk persatuan substrat yang dikonsumsi. Bila pertumbuhan mikroba mengikuti model Monod, maka laju
penggunaan substrat rs dapat dinyatakan sebagai berikut;
…..………12 rs = 1Y
xs
μ
m
S X Ks + S
Hubungan kinetik pertumbuhan dan pembentukan produk tergantung pada peranan produk di dalam metabolisme sel. Ada tiga pola kinetika yang umum
dalam hubungannya pada kinetika pertumbuhan dengan pembentukan produk, yaitu: pola pembentukan produk berasosiasi dengan pertumbuhan, pola
pembentukan produk tidak berasosiasi dengan pertumbuhan, dan pola campuran antara pembentukan produk berasosiasi dan tak berasosiasi dengan pertumbuhan.
Produk yang terbentuk dengan pola pertumbuhan yang berasosiasi dengan pembentukan produk merupakan hasil langsung suatu lintasan katabolik atau
disebut metabolit primer. Pada pola ini laju pembentukan produk berbanding secara proporsional dengan laju pertumbuhan;
dpdt = α dxdt atau rp = Y
px
r
x
dan rp = dpdt dengan Y
px
adalah rendemen produk yang dihasilkan per biomassa yang dihasilkan gg.
Pada berbagai fermentasi, terutama yang menghasilkan metabolit sekunder seperti antibiotik, pembentukan produk tidak berasosiasi dengan pertumbuhan,
pembentukan produk biasanya terjadi pada akhir fase pertumbuhan. Laju pembentukan produk berbanding secara proporsional dengan konsentrasi selular
dan tidak pada laju pertumbuhan, sehingga ; rp = β x
Pada pola campuran antara pembentukan produk dan pertumbuhan, laju pembentukan produk berbanding terbalik dengan konsentrasi sel maupun laju
pertumbuhan yang dinyatakan sebagai berikut; dpdt =
α dxdt + β x atau 1x dpdt =
α 1x dxdt + β atau rpx = α μ + β …….13 p
= Konsentrasi produk x
= Konsentrasi biomassa t
= Waktu µ
= Laju pertumbuhan spesifik α
= Tetapan yang menunjukkan bagian produk yang diproduksi pada fase logaritmik.
β = Tetapan yang menunjukkan bagian produk yang diproduksi pada fase
logaritmik. Model ini disebut model kinetika Leudeking dan Piret Mangunwidjaja dan
Suryani 1994.