2015_DIS_PP_KASBAWATI_1-COVER.pdf
PUBLIC Alice Diniarti 2015_DIS_PP_KASBAWATI_1-BAB_1.pdf
PUBLIC Alice Diniarti 2015_DIS_PP_KASBAWATI_1-BAB_2.pdf
PUBLIC Alice Diniarti 2015_DIS_PP_KASBAWATI_1-BAB_3.pdf
PUBLIC Alice Diniarti 2015_DIS_PP_KASBAWATI_1-BAB_4.pdf
PUBLIC Alice Diniarti 2015_DIS_PP_KASBAWATI_1-BAB_5.pdf
PUBLIC Alice Diniarti 2015_DIS_PP_KASBAWATI_1-PUSTAKA.pdf
PUBLIC Alice Diniarti
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.