Perpustakaan Digital ITB

Proses fermentasi merupakan proses transformasi kimia multitahap yang berlangsung di dalam sel ragi. Dalam proses tersebut glukosa sebagai sumber nutrisi sel diubah menjadi etanol pada kondisi oksigen yang terbatas (anaerob). Sel ragi Saccharomyces cerevisiae merupakan salah satu mikroorganisme yang memiliki kemampuan fermentasi yang sangat tinggi. Dalam disertasi ini dibahas dua model matematika dari sistem fermentasi etanol, yaitu model terstruktur dan model tak terstruktur. Pada model terstruktur, sel tunggal ragi digunakan sebagai model. Proses biosintetis etanol beserta reaksi enzimatik yang terlibat didalamnya dimodelkan secara lengkap. Kajian model terstruktur dibagi menjadi dua bagian, yaitu kajian pada kondisi sistem fermentasi dengan tundaan dan tanpa tundaan. Sedangkan pada model tak terstruktur, proses fermentasi dikaji pada proses produksi yang melibatkan banyak sel. Model difokuskan pada hubungan antara pertumbuhan sel dan kondisi lingkungan kultur pertumbuhan tanpa mempertimbangkan proses internal sel tersebut. Efek inhibisi oleh substrat, produk, dan kepadatan sel terhadap pertumbuhan sel juga dimodelkan. Pada model terstruktur dengan efek tundaan, diasumsikan bahwa tundaan pada sistem fermentasi terjadi sebagai akibat dari keterlambatan proses konversi substrat menjadi produk pada jalur percabangan piruvat. Dari kajian ini dihasilkan nilai tundaan kritis yang bergantung pada parameter kinetika enzim piruvat kinase dan laju suplai glukosa. Parameter kritis tersebut dapat dipandang sebagai titik bifurkasi Hopf karena mengakibatkan munculnya perilaku osilasi sistem di sekitar solusi kesetimbangan yang positif. Terdapat tiga daerah parameter yang memberikan dinamika sistem yang berbeda, yaitu solusi dengan osilasi yang tak teredam, solusi dengan osilasi yang teredam, dan solusi yang tanpa osilasi. Pengaturan besar laju suplai glukosa sebagai kontrol eksternal dapat menghasilkan solusi sistem yang stabil pada kondisi tanpa atau dengan osilasi didalamnya. Terdapat pula laju suplai glukosa tertentu yang memberikan konsentrasi yang maksimum dan minimum untuk etanol. Pada sistem fermentasi tanpa tundaan, dilakukan kajian regulasi proses metabolisme menggunakan metode analisis kontrol metabolisme dan teori optimasi. Aktivitas maksimum dari enzim-enzim kunci diregulasi dan metode suplai glukosa dilakukan secara kontinu dan secara on-off agar diperoleh sistem fermentasi yang stabil dengan hasil produksi etanol yang optimal. Dari kajian ini, diperoleh tiga enzim kunci yang bekerja pada cabang asetaldehid. Regulasi yang dapat dilakukan untuk menghasilkan sistem fermentasi yang stabil dengan produksi etanol yang maksimum adalah dengan menurunkan aktivitas asetaldehid dehidrogenase, juga dengan menaikkan aktivitas piruvat dekarboksilase dan alkohol dehidrogenase. Akan tetapi, dalam eksperimen, regulasi tiga enzim yang berbeda secara bersamaan bukanlah hal yang mudah untuk dilakukan, sehingga cara yang paling efisien adalah dengan menurunkan aktivitas maksimum enzim asetaldehid dehidrogenase. Enzim tersebut merupakan enzim dengan koefisien kontrol yang paling negatif. Selanjutnya, pada kajian metode suplai glukosa secara kontinu dan secara on-off diperoleh bahwa metode kontinu merupakan metode yang paling optimal. Akan tetapi, untuk suatu total konsentrasi etanol yang diperoleh dari metode kontinu, hasil yang sama dapat diperoleh dengan menerapkan tundaan suplai, dan menetapkan suplai glukosa yang lebih besar dari suplai glukosa pada metode kontinu. Metode tersebut dapat menghemat total waktu suplai dan total glukosa yang digunakan pada metode kontinu. Pada model tak terstruktur, dihasilkan dua jenis solusi kesetimbangan yang menunjukkan kondisi hilangnya sel dalam fermentor (solusi kesetimbangan washout) dan solusi yang menunjukkan eksistensi dari sel dan produk etanol dalam sistem fermentasi (solusi kesetimbangan nonwashout). Terdapat kondisi eksperimen yang membuat sistem akan mengalami fenomena multiple steady-states yang stabil dengan atau tanpa sifat osilasi didalamnya. Terdapat konsentrasi suplai glukosa yang menghasilkan solusi kesetimbangan maksimum yang stabil untuk populasi sel dan produk etanol. Terdapat pula suplai glukosa kritis dimana konsentrasi suplai glukosa yang lebih besar dari konsentrasi kritis tersebut menghasilkan sistem fermentasi dengan kondisi washout. Jadi, besar suplai glukosa, besar laju pengenceran, dan besar konsentrasi awal dari masing-masing variabel sistem memberikan pengaruh yang sangat signifikan pada eksistensi dari populasi sel ragi dan produk etanol dalam sistem fermentasi. Sedangkan kenaikan pada carrying capacity sel memberikan pengaruh yang signifikan pada eksistensi solusi kesetimbangan nonwashout. Kenaikan tersebut juga mempengaruhi solusi kesetimbangan maksimum dari sistem.