FERMENTASI SUBSTRAT PADAT

Fermentasi substrat padat berkaitan dengan pertumbuhan mikroorganisme pada bahan padat dalam ketiadaan atau hampir ketiadaan air bebas. Tingkat lebih atas dari fermentasi substrat padat (yaitu sebelum air bebas tampak) merupakan fungsi penyerapan (absorbancy), dan dengan demikian kadar airnya pada gilirannya tergantung pada jenis substrat yang digunakan. Aktivitas biologis menurun bila kandungan air substrat sekitar 12%. Dan semakin mendekati nilai ini, aktivitas mikrobiologis semakin tertahan. Fermentasi substrat padat tidak memperhatikan fermentasi slurry (yaitu cairan dengan kandungan zat padat taklarut yang tinggi) ataupun fermentasi substrat padat dalam medium cair. Substrat yang paling banyak digunakan dalam fermentasi substrat padat adalah biji-bijian serealia, kacang-kacangan, sekam gandum, bahabn yang mengandung linoselulosa (seperti kayu dan jerami), dan berbagai bahan lain yang berasal dari tanaman dan hewan. Senyawaan tersebut selalu berupa molekul primer, tak larut atau sedikit larut dalam air, tetapi murah, mudah diperoleh dan merupakan sumber hara yang tinggi.

Beberapa contoh fermentasi substrat padat

Fermentasi substrat padat telah dipraktekkan selama ratusan tahun di asia timur. Banyak makanan hasil fermentasi, seperti kecap, miso, tempe dan senbagainya, mempunyai fase substrat padat lainnya digunakan untuk menghasilkan berbagai enzim dan bahan kimia seperti asam sitrat. Dibelahan bumi barat, fermentasi substrat padat dipusatkan pada pengkomposan limbah tanaman dan hewan, ensiling, penanaman jamur, dan pembuatan keju. Fermentasi substrat padat tehadap lignoselulosa bisa menjadi industri besar di masa depan, untuk menghasilkan biomassa, etanol, metan dan beberapa produk yang bernilai komersial tinggi. Sebagaian besar produk bioteknologi yang didasarkan pada mikroba dapat dihasilkan melalui fermentasi substrat padat. Factor penentu bagi dilaksanakannya fermentasi semacam itu akan begantung pada nilai ekonomi relatifnya bila dibandingkan dengan proses fermentasi cair.

Jenis microorganisme yang tumbuh baik dibawah kondisi fermentasi substrat padat ditentukan terutama oleh faktor aktivitas air (a_w). nilai a_{w ­}substrat secara kuantitatif menyatakan banyaknya air yang dibutuhkan bagi aktivitas mikroba.

Jenis mikroba

Fermentasi substrat padat dapat berlangsung dalam berbagai bentuk yang berbeda tergantung pada apakah mokroorganisme yang bersifat asli, kultur murni atau kultur campuran.

Fermentasi yang menggunakan mikroflora asli (indigenous) terutama diarahkan untuk ensilinjg dan pengkomposan. Ensiling ialah suatu proses anaerobic yang melibatkan tanaman pertanian dan dilaksanakan pada suhu 25-30^oC selama 1-2 minggu. Lactobacillus bularicus menjadi organisme dominan yang menghasilkan asam laktat dan selanjutnya menghambat bakteri putrefaktif yang potensial, dank arena tiak adanya oksigen, jamur aerobik tidak dapat tumbuh. Tingkat kelmbaban adalah sangat kritis pada 50-65%, untuk menjamin agar lactobacillus yang osmotoleran menjadi aktif dan dominan. Sebaliknya, pengkomposan melibatkan serangkaian mikroorganisme dari bakteri mesofilik, ragi dan jamur sampai aktinomisetes dan jamur yan temofilik.

Fermentasi substrat padat dengan menggunakan kultur jamur murni paling baik diilustrasikan dengan proses koji kuno murni untuk fermentasi biji-bijian dan kedele dengan jamur Aspergillus oryzae. Substrat yang telah masak di inokulasi dengan kultur murni A. oryzae dan diletakan pada lapisan tipis dalam baki atau dalam bioreactor putar yang khusus supaya menghasilkan amilase dan proteaseuntuk memecahkan bahan polimer di dalam substart. Proses koji merupakan dasar untuk jenis fermetasi yang lain termasuk produksi enzim komersial, asam organic dan etanol.

Fermentasi substrat padat tertentu secara sengaja menggunakan inokulasi kultur campuran untuk memperoleh pembentukan produk akhir yang optimum. Dengan demikian jerami dapat dikonversi secara lebih efisien menjadi biomassa jamur melalui penggunaan kultur camuran chaetomium cellulolyticum dan candida lipolytical daripada setiap jamur itu secara sendiri-sendiri.

Suatu sifat yang mencirikan berbagai fermentasi substratpadat adalah perlunya memberi perlakuan awal pada bahan mentah substrat untuk meningkartkan ketersediaan hara, untuk mengurangi ukuran partikel untuk mengoptimumkan parameter fisik fermentasi bersangkutan. Desain proses fermentasi substrat padat lebih jauh dikendalikan oleh perlunya mencapai ciri pemindahan massa dan panas yang baik, pemindahan massa interpartikel dan difusi intrapartikel merupakan dua tahap utama pemindahan massa yang membatasi fermentasi substrat padat.

Pemindahan massa interpartikel

Dalam suatu fermentasi substrat padat, ukuran partikel menentukan banyaknya ruang dalam massa substrat yang dapat ditempati oleh udara (ruang kosong). Hampir semua fermentasi melibatkan mikroorganisme aerobk dan transport oksigen kedalam ruang kosong merupakan parameter kritis yang mengendalikan perkembangan pertumbuhandan pembentukan produk. Pemindahan oksigen ke dalam ruang kosong brkaitan erat dengan tingkat kadar air bahan karena tingkat KA bebas yang tinggi yang ditimbulkan oleh pembuangan udara keluar menyebabkan ruang kosong yang rendah.

Pemindahan massa intrapartikel

Pemindahan massa intrapartikel behubungan dengan pemindahan nutrisi dan enzim dalam substrat fermentasi. Dalam fermentasi substrat padat dengan menggunakan jamur berfilamen, hifa akan tumbuh diatas permukaan partikel selain menembus ke dalam massa substrat. Dengan demikian hifa aerobik membutuhkan difusi oksigen untuk mendukung pertumbuhannya yang berlanjut. Kinetika difusi oksigen di dalam matriks substrat padat itu baru sedikit dipahami.

Pemindahan panas

Karena tingginya konsentrasi substrat persatuan volume, timbulnya panas mikrobial per satuan volume jauh lebih besar dari pada fermentasi cair. Selain itu KA yang rendah pada fermentasi tersebut menciptakan kondisi yang sulit bagi pemindahan panas, sehingga pengendalian suhu lebih sulit daripada feramentasi cair.

Bioreaktor

Fermentasi substrat padat dapat diklasifikasikan ke ddalam fermentasi tanpa adukan, fermentasi dengan adukan kadang-kadang dan fermentasi dengan adukan terus-menerus. Fermentasi tanpa aerasi mencakup ensiling dan bebrapa proses pengkomposan.