TEKNOLOGI FERMENTASI DAN ENZIM Universitas Mercu Buana Yogyakarata
BAB VIII KINETIKA FERMENTASI. Tipe - tipe fermentasi 1. Berdasarkan produk yang dihasilkan : a. Biomassa b. Enzim c. Metabolit ( primer dan sekunder ) d. Hasil trasnformasi 2. Berdasarkan produk dan pertumbuhannya a. Tipe Sinonim Pembentukan produk dan pertumbuhan sel terjadi bersamaan ( sinonim ) Contoh : fermentasi untuk PST
b. Tipe Associated Pembentukan produk dan pertumbuhan sel berjalan seiiring Contoh : fermentasi produksi alcohol, asam sitrat. c. Tipe Non Associated Pembentukan produk terjadi setelah pertumbuhan sel selesai ( memasuki fase stasioner ) contoh : konversi glukosa asam 5 – keto glutomat
3. Berdasarkan cara pembentukan produk a. Simultan Dalam proses fermentasi dihasilkan lebih dari satu macam produk contoh : Fermentasi PST, selain dihasilkan protein juga dihasilkan lipid b. Simple / sederhana Proses fermentasi yang produksi sudah dapat di hitung secara stoikhiometri Contoh : proses fermentasi alcohol yang dapat di perhitung setiap mol glukosa akan dihasilkan 2 mol etanol/alcohol
c. Stepwise Terjadinya pembentukan produk harus melewati pembentukan senyawa antara Contoh : fermentasi glukosa menjadi asam keto glukonat oleh acetobacter suboxidant harus melalui pembentukan asam glutamate d. Consecutive Terjadinya pembentukan produk harus melewati level tertentu dari senyawa antara yang dihasilkan Contoh : fermentasi glukosa menjadi asam keto glukonat oleh pseudomonas ovalis, harus melewati pembentukan glukanolakton pada level tertentu
Pertumbuhan Sel Dan Pembentukan Produk (ditijau dari reaksi kimia ) Pertumbuhan dapat dianggap sebagai suatu rangkaian reaksi kimia untuk membentuk massa sel.
Secara stoikhiometri diketahui ratio massa sel terhadap massa substrat yang dikonsumsi sebesar M/A disebut Yield Sel Besarnya ratio M/A tergantung : Efisiensi penggunaan sumber karbon untuk pembentukan sel dan pembakaran menjadi CO2 dan H2O untuk memperoleh energi
Reaksi lain yang dapat di gunakn untuk menggambarkan partumbuhan sel dan pembentukan produk :
Hubungan antara sel dengan substrat karbon dan oksigen digambarkan oleh mateles dalam persamaan :
Hubungan antara kecepatan pembentukan produk dan kecepatan pertumbuhan Dalam pertumbuhan dengan tipe Associated, produkyang terbentuk sebanding dengan massa sel yang terbentuk. Hubungan antara kecepatan pembentukan produk (dp/dt )dengan kecepatan pertumbuhan ( µ ) digambarkan dalam persamaan : dp/dt = qp . X dengan qp = Y (p/x) .µ persamaan tersebut hanya berlaku untuk pertumbuhan Associated
pada tipe non Associated, pembentukan produk di kelompokkan 2 tipe, yaitu a. Qp bukan merupakan fungsi dari µ Sehingga merupakan masalah yang rumit untuk memperoleh persamaannya Contoh : produksi penicillin oleh penicilium sp pada saat µ = 0,012 jam -1 b. Qp merupakan fungsi µ kompleks Contoh : 1. Produksi melanin oleh Aspergilus Niger 2. Produksi cyclodextrin dari pati oleh Bacilus macerans Persamaan : qp = qp maks – K . µ 3. Produksi asam laktat dari gula oleh lactobacillus sp Persamaan : qp = α µ + ᵦ dengan α dan ᵦ suatu konstanta
System Kultivasi System kultivasi pada proses fermentasi dapat dilakukan secara : 1. System bacth Tidak ada penambahan substrat sehingga konsentrasi substrat akan turun Konsentrasi produk naik sampai batas tertentu setelah itu tetap Kecepatan pertumbuhan cenderung turun mengarah ke nol sejalan dengan penurunan kadar substrat
2. System Fed Bacth Ada penambahan substrat jika substrat hamper habis sehingga konsentrasi produk akan naik kecepatan pertumbuhan akan turun, tetapi dapat naik lagi sejalan dengan masuknya substrat baru.
3. System kontinyu Ada pergantian substrat sehingga jumlah substrat relative tetap dan konsentrasi produk juga tetap konstan tinggi, kecepatan pertumbuhan juga konstan tinggi
Sistem batch Kelemahan : kecepatan pertumbuhan dan produksinya mengarah ke nol, karena nutrient habis terkonsumsi atau terbentuknya produk bersifat toksik bagi massa sel Persamaan umum untuk pembentukan produk pada system batch : dp/dt = qp .X dengan p = konsentrasi produk qp = kecepatan pembentukan produk spesifik x = konsentrasi sel
dalam pertumbuhan associated, produk terbentuk sebanding dengan massa sel yang terbentuk. dp/dt = qp .X bila qp konstan, maka ʃ dp = qp ʃ x dt p1 – po = qp ( xt1 – xto ) p1 = po + qp ( xt1 – xto ) harga integral dari persamaan tersebut dapat dihitung secara grafis sbb :
Sistem Kontinyu Diharapkan kecepatan pertumbuhan dan pembentukan produk terus meningkat dengan berjalannya waktu inkubasi Caranya : Dengan memasukan medium dari luar ( substrat pembatas pertumbuhan ) pada saat fase pertumbuhan mencapai fase logaritmik. Apabila penambahan substrat di ikuti dengan pengeluaran produk + sel, dimungkinkan pertumbuhan sel dalam waktu lama sehingga tercapai kondisi steady state Stedy state : Kecepatan konversi substrat menjadi produk dan massa sel seimbang dengan kecepatan outputnya, sehingga konsentrasi sel, kecepatan pertumbuhan spesifik dan lingkungan kultur tidak berubah dengan waktu perjalanan inkubasi
Ada 2 macam system kontinyu : 1. Plug Flow Culture Input system adalah campuran inoculum dan medium yang dialirkan dengan kecepatan konstan melalui fermentor berbentuk tabung ( tidak dilengkapi pengaduk, pengadukan terjadi dengan adanya sirip-sirip pada sisitabung fermentor ). Pada system ini tidak dilakukan control terhadap lingkungan kultur
Perubahan yang terjadi pada system ini adalah sama dengan fase-fase yang terjadi pada system batch, tetapi fungsi waktu diganti dengan fungsi ruang System plug flow culture banyak digunakan dalam penanganan limbah Activated Sludge Proces Kelemahan system plug flow culture : a. Pengaturan kecepatan aliran sulit dilakukan b. Aliran lambat pada dinding fermentor menyebabkan penempelan biomassa pada dinding sel c. Pada kondisi oprasional aseptis dengan waktu lama sulit dilakukan d. Aerasi sulit dilakukan (bila mikrobia yang digunakan aerob)
2. Chemostat culture Untuk memelihara pertumbuhan sel dalam waktu lama dilakukan penambahan medium secara continyu kedalam fermentor dan dilakukan pengeluaran produk dari fermentor secara kontinyu pula pada keceaptan aliran yang sama dan konstan sehingga volume kultur didalam fermentor tetap konstan. Dalam keadaan ideal : Pencampuran medium yang yang dimasukkan dengan kultur didalam fermentor terjadi sempurna setiap tetes medium masuk kedalam fermentor harus segera terdispersi secara merata dalam kultur, prakteknya dikerjakan dengan pengadukan
Pada awalnya sel mikroba ditumbuhkan dalam fermentor secara batch sampai dicapai pertumbuhan mendekatii fase logaritmik Kemudian medium segera dialirkan masuk yang diikuti dengan pengeluaran kultur
Kodisi ini memberikan 3 kemungkinan : 1. Bila kecepatan pengeluaran sel dari dalam fermentor (X2) > kecepatan pertumbuhan sel dalam fermentor (X1) Maka konsentrasi sel dalam fermentor (x1) akan turun, sehingga konsentrasi substrat (S1) akan naik dan pada suatu saat S1 = S2 2. Bila kecepatan awal pengeluaran sel dalam fermentor ( X2) = kecepatan pertumbuhan sel dalam fermentor ( X1 ), maka Akan dicapai kondisi steady state, artinya konsentrasi sel ( X1) dan konsentrasi substrat ( S1 ) tetap dalam keadaan ini kecepatan pertumbuhan spesifik akan maksimum. Kondisi ideal ini sulit terjadi karena selalu terjadi fluktuasi S1 dan X1
3. Bila kecepatan awal pengeluaran sel dalam fermentor (X2 )< kecepatan pertumbuhan sele dalam fermentor (X1), maka Konsentrasi sel dalam fermentpr (X1) akan naik, keadaan ini akan menurunkan konsentrasi substrat (S1) yang akan berpengaruh menurunkan kecepatan pertumbuhan spesidik sehingga perlahan-lahan konsentrasi sel (X1) akan turun pada akhirnya akan sama dengan kecepatan pengeluaran sel dari fermentor sehingga akan di capai keadaan steady state. Dalam system kontinyu, hubungan antara flow medium ke dalam fermentor dengan volume fermentor dinyatakan dengan Dilution Rate (D)
Dengan : F = Flow rate V = Volume D = Dilution Rate dengan satuan jam -1
Spesifik Growth Rate (dalam fermentasi kontinyu) Perhitungan yang dilakukan biasanya ditunjukan untuk menduga kecepatan pertumbuhan, konsentrasi, biomassa dan substrat pada kondisi tertentu. Digunakan neraca bahan : Kenaikan jumlah biomassa = input – output + growth
Kondisi fermentasi : Volume fermentor V ( liter ), feed masuk fermentor dengan konsentrasi sel Xo (g/liter) padakecepatan konstan F ( liter/jam), konsentrasi sel dalam fermentor X1 (g/liter) dan X2 konsentrasi sel effluent dengan kecepatan pengeluaran F (liter/jam) Maka berlaku neraca bahan : (dx/dt) over all = F/V Xo – F/V X2 + (dx/dt) growth (dx/dt) growth tergantung spesific growth rate ( µ ) yang dinyatakan dengan (dx/dt) growth = µ .x
Pada keadaan steady state, kecepatan perubahan konsentrasi biomassa dx/dt = 0 untuk chemostat satu tingkat konsentrasi biomassa dalam feed adalah nol ( xo = 0 ) dan x2 = x1 sehingga pada neraca bahan berlaku : 0 = 0 – F/V x2 + µ x 1 µ x 1 = F/V x 1 µ = F/V Bila F/v = D maka µ=D
Hal ini berarti : Spesific Growth rate pada sistem kontinyu dapat di kontrol atau dikendalikan dengan kondisi operasi
Hubungan antara substrat pembatas pertumbuhan dengan konsentrasi biomassa Neraca bahan untuk substrat pembatas pertumbuhan : Perubahan jumlah substrat = Input – output – substart untuk pertumbuhan pada suatu interval waktu tertentu berlaku :
V ds = F So dt – F S2 dt – V µ x1 dt/ Y Dengan Y = growth rate, sehingga berlaku : ds/dt = F/V So – F/V S2 - µ x1/Y pada keadaan steady state, berlaku dx/dt = 0 dan ds/dt = 0 sehingga persamaan dapat di tulis :
