Mengapa Kultur Mikroba dengan RPM yang Sama Bisa Menghasilkan Pertumbuhan Berbeda?
Dua peneliti sedang menumbuhkan isolat mikroba yang sama dalam Erlenmeyer flask berisi medium identik. Keduanya menggunakan inkubator shaker dengan pengaturan 200 rpm dan suhu yang sama. Setelah inkubasi, salah satu kultur menunjukkan pertumbuhan yang lebih tinggi daripada yang lain.
Perbedaan tersebut mungkin terlihat seperti masalah konsistensi inokulum atau komposisi medium. Namun, ada satu parameter yang sering tidak dicatat secara lengkap: bagaimana oksigen berpindah dari udara menuju cairan kultur selama pengocokan.
Dalam kultivasi mikroorganisme aerob, shaker tidak hanya berfungsi untuk mencampur medium. Pergerakan orbital juga memengaruhi distribusi cairan, luas permukaan kontak antara cairan dan udara, serta laju perpindahan oksigen.
Penelitian Maier dan Büchs (2001) menunjukkan bahwa kapasitas perpindahan oksigen dalam shake flask dipengaruhi oleh frekuensi pengocokan, diameter orbit, volume pengisian, dan sifat fisik medium. Artinya, dua kultur yang sama-sama dijalankan pada 200 rpm belum tentu mengalami kondisi aerasi yang setara.
Bagi laboratorium yang melakukan seleksi isolat, optimasi medium, produksi enzim, atau pengembangan proses fermentasi, memahami hubungan tersebut merupakan langkah penting untuk menghasilkan data yang lebih dapat dibandingkan.
Mengapa Oksigen Menjadi Parameter Penting dalam Kultur Mikroba?
Mikroorganisme aerob membutuhkan oksigen untuk mendukung respirasi dan berbagai proses metabolisme. Selama kultur tumbuh, konsumsi oksigen dapat berubah mengikuti peningkatan biomassa, ketersediaan substrat, dan kondisi fisiologis mikroorganisme. Dalam sistem shake flask, oksigen harus berpindah dari fase gas menuju medium sebelum dapat digunakan sel.
Proses ini dikenal sebagai oxygen transfer.
Kemampuan sistem menyediakan oksigen dipengaruhi oleh karakteristik perpindahan massa gas-cair, yang sering dijelaskan melalui koefisien perpindahan massa volumetrik, atau \(k_La\). Secara sederhana, nilai \(k_La\) menggambarkan kemampuan sistem memindahkan oksigen ke fase cair berdasarkan kondisi perpindahan massa yang berlaku. Sementara itu, oxygen transfer rate (OTR) menggambarkan laju aktual perpindahan oksigen, yang juga bergantung pada gaya pendorong berupa perbedaan konsentrasi oksigen.
Dalam kultur aktif, oksigen yang masuk ke medium akan digunakan oleh mikroorganisme melalui proses metabolisme. Hubungan antara suplai dan konsumsi oksigen menjadi penting ketika peneliti menafsirkan pertumbuhan, metabolisme, dan produksi senyawa.
Anderlei dan Büchs (2001) menunjukkan bahwa pemantauan OTR secara online dapat memberikan informasi mengenai kondisi fisiologis mikroorganisme dan perkembangan proses kultivasi dalam shake flask. Karena itu, ketika hasil pertumbuhan berbeda, evaluasi tidak seharusnya berhenti pada rpm dan suhu inkubasi. Kondisi perpindahan oksigen juga perlu diperhatikan.
Mengapa Volume Medium Memengaruhi Perpindahan Oksigen?
Volume pengisian memengaruhi distribusi cairan dan luas kontak gas-cair selama pengocokan orbital
Bayangkan dua Erlenmeyer flask dengan kapasitas nominal 250 mL. Flask pertama diisi 25 mL medium, sementara flask kedua berisi 100 mL. Keduanya dijalankan pada pengaturan rpm dan diameter orbit yang sama.
Volume medium akan memengaruhi bagaimana cairan bergerak ketika flask diguncang secara orbital. Ketika cairan mengikuti pergerakan shaker, permukaannya membentuk distribusi dinamis dan sebagian cairan dapat bergerak membentuk lapisan pada dinding flask. Distribusi tersebut menentukan area kontak gas-cair yang tersedia untuk perpindahan oksigen.
Maier dan Büchs (2001) meneliti pengaruh volume pengisian, frekuensi pengocokan, diameter orbit, serta viskositas terhadap kapasitas perpindahan oksigen pada shake flask. Penelitian tersebut menunjukkan bahwa lapisan cairan pada dinding flask memberikan kontribusi penting terhadap luas permukaan perpindahan massa. Dengan demikian, volume pengisian merupakan bagian dari kondisi kultivasi yang perlu dicatat dan dijaga konsisten.
Dalam penelitian seleksi isolat atau optimasi medium, penggunaan volume pengisian yang seragam membantu memastikan bahwa perubahan hasil dapat ditafsirkan dengan lebih jelas. Selain volume medium, ukuran nominal dan geometri flask perlu dicatat karena keduanya juga memengaruhi pergerakan cairan.
Apakah Diameter Orbit Sama Pentingnya dengan RPM?
Kuhner LS-Z Lab-Shaker menyediakan pilihan diameter orbital untuk mendukung berbagai kebutuhan kultivasi
RPM menunjukkan berapa kali shaker menyelesaikan satu siklus pergerakan dalam satu menit. Namun, pengaturan tersebut tidak menggambarkan keseluruhan karakteristik gerakan orbital.
Parameter lain yang penting adalah shaking diameter atau diameter orbit, yaitu diameter lintasan gerakan platform shaker. Dua shaker yang berjalan pada rpm identik tetapi menggunakan diameter orbit berbeda dapat menghasilkan distribusi cairan dan karakteristik perpindahan massa yang berbeda.
Maier dan Büchs (2001) menunjukkan bahwa diameter pengocokan merupakan salah satu variabel penting dalam pemodelan kapasitas perpindahan oksigen. Penelitian Schulte et al. (2025) memperluas pemahaman tersebut melalui pengujian frekuensi pengocokan tinggi menggunakan shaker prototipe yang dimodifikasi. Hasilnya memperlihatkan bahwa frekuensi dan diameter orbit berkaitan dengan distribusi cairan, luas permukaan kontak gas-cair, serta kapasitas perpindahan oksigen.
Dalam praktik laboratorium, pengaturan rpm sebaiknya selalu dipertimbangkan bersama diameter orbit dan karakteristik wadah yang digunakan. Kemampuan menyesuaikan diameter orbit menjadi nilai penting ketika laboratorium menjalankan berbagai metode kultivasi.
Kuhner LS-Z Lab-Shaker menyediakan tiga diameter orbital standar, yaitu 12,5 mm, 25 mm, dan 50 mm. Diameter tersebut dapat disesuaikan berdasarkan kebutuhan aplikasi, dengan pilihan rentang kecepatan yang mengikuti diameter pengocokan yang digunakan. Fleksibilitas ini memungkinkan peneliti mengatur kondisi pengocokan sesuai desain percobaan, mulai dari kultur mikroba hingga penggunaan wadah dan sistem kultur yang berbeda.
Bagaimana Memilih Orbital Shaker untuk Penelitian Mikroba?
Dalam laboratorium mikrobiologi dan bioproses, satu shaker sering digunakan untuk berbagai kegiatan: menyiapkan inokulum, menumbuhkan isolat, melakukan screening, hingga mempersiapkan kultur sebelum proses fermentasi yang lebih besar.
Masing-masing kegiatan dapat memerlukan kombinasi volume kultur, jenis flask, dan kondisi pengocokan yang berbeda. Karena itu, pemilihan orbital shaker perlu mempertimbangkan fleksibilitas konfigurasi, kemampuan mengendalikan kecepatan, kapasitas wadah, serta pengaturan kondisi lingkungan.
Kuhner LS-Z dirancang sebagai lab-shaker modular dengan sistem direct drive untuk pengoperasian orbital. Sistemnya mendukung beban hingga 25 kg dan menggunakan controller serta power cube terpisah dari unit pengocok. Konfigurasi ini memberikan beberapa pilihan penggunaan. LS-Z dapat dioperasikan sebagai shaker benchtop, ditempatkan di dalam lingkungan inkubasi yang sesuai, atau dikombinasikan dengan sistem Kuhner Kelvin+ untuk pengendalian suhu.
Bagi laboratorium yang melakukan beberapa jenis eksperimen, penggunaan platform yang dapat diadaptasi memungkinkan perencanaan fasilitas yang lebih fleksibel. Pilihan tray dan clamp juga memungkinkan penempatan berbagai jenis dan ukuran wadah kultur sesuai kebutuhan eksperimen.
Produk LS-Z dan kombinasinya dengan Kuhner Kelvin+ telah tercantum dalam portofolio PT Wadya Prima Mulia.
Mengapa Pengendalian Suhu dan Pengocokan Perlu Direncanakan Bersamaan?
Pertumbuhan mikroorganisme dipengaruhi oleh kondisi fisik dan kimia lingkungan kultur. Selain suplai oksigen, suhu berhubungan dengan aktivitas enzim dan proses metabolisme sel. Karena itu, pengaturan kondisi inkubasi dan pengocokan merupakan dua bagian yang saling berkaitan dalam perancangan kultivasi.
Pada pekerjaan rutin, laboratorium mungkin memerlukan pengocokan orbital di dalam lingkungan bersuhu terkendali untuk mempertahankan kondisi percobaan sepanjang masa inkubasi.
Kuhner Kelvin+ mengintegrasikan platform LS-Z dengan inkubator berukuran ringkas. Sistem ini menyediakan pengendalian suhu dan distribusi temperatur yang dirancang untuk mendukung kegiatan kultivasi dalam shake flask. Ruang inkubasinya menggunakan interior stainless steel dan menyediakan akses pengoperasian serta pengamatan wadah kultur.
Kombinasi LS-Z dan Kelvin+ memberikan pilihan bagi laboratorium yang ingin mengelola suhu dan pengocokan melalui sistem terintegrasi, baik untuk penyiapan kultur mikroba maupun penelitian biologis lain yang sesuai. Dalam penyusunan protokol, parameter suhu, rpm, diameter orbit, volume medium, serta waktu inkubasi sebaiknya dicatat sebagai satu kesatuan kondisi eksperimen.
Bagaimana Mengetahui Kapan Kultur Membutuhkan Perhatian terhadap Oksigen?
Pengamatan pertumbuhan sering dilakukan menggunakan optical density (OD), pengukuran biomassa, atau analisis produk metabolit. Parameter tersebut memberikan informasi mengenai hasil kultivasi, tetapi tidak selalu menjelaskan bagaimana kondisi suplai oksigen berubah selama proses berlangsung.
Pengukuran OTR dapat memberikan informasi tambahan mengenai aktivitas respirasi kultur. Anderlei dan Büchs (2001) mengembangkan pendekatan pengukuran OTR secara steril dan online pada shake flask, memungkinkan pemantauan proses tanpa bergantung sepenuhnya pada pengambilan sampel berkala. Dalam pengembangan bioproses modern, informasi respirasi dapat digunakan bersama parameter pertumbuhan untuk memahami perubahan aktivitas biologis selama kultivasi.
Kuhner TOM (Transfer-Rate Online Measurement) dapat dikombinasikan dengan LS-Z dan Kelvin+ untuk pemantauan oxygen transfer rate, carbon dioxide transfer rate (CTR), dan respiratory quotient (RQ) pada shake flask. Kemampuan tersebut mendukung penelitian yang memerlukan pemantauan kondisi proses secara lebih terstruktur. Sebagai contoh, dalam seleksi isolat penghasil enzim, data pertumbuhan dapat dipertimbangkan bersama informasi respirasi untuk membantu peneliti memahami perbedaan perilaku kultur. Dengan cara ini, shaker dan sistem monitoring menjadi bagian dari workflow penelitian yang menghubungkan kondisi operasi dengan respons biologis.
Apa yang Perlu Dijaga Saat Melakukan Scale-Up Kultur Mikroba?
Kultivasi shake flask sering menjadi tahap awal sebelum suatu proses dikembangkan menuju sistem fermentasi dengan kapasitas lebih besar. Namun, ketika volume dan jenis wadah berubah, kondisi perpindahan massa juga dapat berubah.
Penelitian Maier dan Büchs (2001) menunjukkan pentingnya geometri flask dan parameter pengocokan dalam menentukan kapasitas suplai oksigen. Schulte et al. (2025) juga memperlihatkan bahwa perubahan frekuensi dan diameter orbit dapat memengaruhi perpindahan oksigen secara signifikan. Temuan tersebut memberikan dasar ilmiah bagi penilaian kondisi hidrodinamika selama pengembangan proses.
Dalam praktik pengembangan bioproses, menjaga rpm yang sama tidak otomatis berarti mempertahankan kondisi perpindahan oksigen yang sama. Parameter seperti volume kultur, jenis wadah, diameter orbit, dan karakteristik medium perlu dipertimbangkan ketika hasil shake flask digunakan sebagai dasar untuk percobaan berikutnya. Konsistensi dokumentasi membantu peneliti memahami kondisi yang menghasilkan pertumbuhan atau produktivitas tertentu, sekaligus menyediakan informasi yang lebih berguna saat merencanakan pengembangan skala.
Hasil Kultur yang Konsisten Dimulai dari Parameter yang Tepat
Rpm merupakan parameter penting pada orbital shaker, tetapi bukan satu-satunya faktor yang menentukan kondisi kultivasi. Dalam penelitian mikroba, perpindahan oksigen dipengaruhi oleh hubungan antara pengocokan, volume medium, diameter orbit, karakteristik flask, dan kebutuhan metabolik organisme.
Memahami hubungan tersebut membantu laboratorium menyusun eksperimen dengan parameter yang lebih jelas dan data yang lebih mudah dibandingkan.
Melalui portofolio Kuhner Shaker, PT Wadya Prima Mulia mendukung kebutuhan penelitian mikrobiologi dan pengembangan bioproses dengan sistem pengocokan yang dapat disesuaikan berdasarkan aplikasi.
LS-Z menawarkan fleksibilitas diameter orbit dan konfigurasi penggunaan, sedangkan Kuhner Kelvin+ menyediakan lingkungan inkubasi dengan pengendalian suhu. Untuk aplikasi yang memerlukan pemahaman lebih mendalam mengenai respirasi kultur, integrasi sistem monitoring seperti Kuhner TOM menjadi pilihan yang relevan.
Sedang memilih incubator shaker atau mengembangkan protokol kultur mikroba di laboratorium Anda?
Tim PT Wadya Prima Mulia dapat membantu mengevaluasi kebutuhan volume kultur, jenis flask, pengaturan orbital, serta kebutuhan inkubasi dan monitoring untuk menentukan konfigurasi Kuhner Shaker yang sesuai.
Pelajari Kuhner Shaker di PT Wadya Prima Mulia.
Referensi
Anderlei, T., & Büchs, J. (2001). Device for sterile online measurement of the oxygen transfer rate in shaking flasks. Biochemical Engineering Journal, 7(2), 157–162. https://doi.org/10.1016/S1369-703X(00)00116-9
Maier, U., & Büchs, J. (2001). Characterisation of the gas–liquid mass transfer in shaking bioreactors. Biochemical Engineering Journal, 7(2), 99–106. https://doi.org/10.1016/S1369-703X(00)00107-8
Schulte, A., Jordan, A., Klöckner, W., Schumacher, M., Corves, B., & Büchs, J. (2025). Effect of high-speed shaking on oxygen transfer in shake flasks. Biotechnology Journal, 20(4), Article e70013. https://doi.org/10.1002/biot.70013
