PROSES FERMENTASI
Iman rusmana Departemen Biologi FMIPA IPB
Industri/Bioteknologi Æ Sel & syw metabolit mikrob 2 proses penting : 1. Produksi Æ Fermentasi 2. Hilir Æ ekstraksi & purifikasi Pd fermentasi : Æ Mikrob jadi objek utama Produk yg diinginkan
Produksi optimal Æ optimasi media Æ kontrol : - O2 - kondisi lainnya Kontrol terbaik: Æ online control
Kinetika pertumbuhan mikrob Æ Perlu dimengerti
Tergantung tipe proses fermentasinya !
3 Tipe Proses Fermentasi Æ Batch Æ Fed-Batch Æ Kontinu Æ Kinetika & Kondisi berbeda
1. Fermentasi Batch Æ Sistem tertutup Æ tidak ada penambahan media baru Æ ada + : - O2 Æ aerasi - antifoam - asam/basa Æ kontrol pH -Komposisi media -[biomasa] -[metabolit]
Berbeda
Kondisi fisiologi/metabolisme sel
4 Fase Pertumbuhan Æ Fase Lag Æ Fase Log Æ Fase Stasioner Æ Fase Kematian Kondisi fisiologi/ metabolisme sel Beda
☺Fase Lag: Æ Mikrob beradaftasi Æ ling. Baru -pH berubah -Nutrien meningkat -[inhibitor] turun Lamanya Æ Tergantung kondisi fisiologi inokulum - Inokulum fase log Æ cepat/tidak ada - inokulum fase stasiner Æ lebih lama *kinetika pembentukan produk tidak tergantung lamanya fase lag
☺Fase Log: Æ Mikrob telah beradaftasi Æ sel tumbuh: jumlah sel/biomasa Æ laju pertumbuhan konstan: - tidak tergantung [substrat] Æ berlebih - tergantung: Æ laju pertumbuhan spesifik(μ) Æ [biomasa] (X) dX/dt = μ X
atau
dN/dt = μ N
Plot semilogaritmik biomasa dg waktu Æ garis lurus Æ Disebut Fase Log
Laju pertumbuhan spesifik (μ ): Æ fungsi 3 parameter: -[substrat] pembatas (S) -Laju pertumbuhan maksimum (μm) -Konstanta spesifik substrat (Ks) Lamanya Æ Tergantung kondisi fisiologi inokulum S μ = μm ________ Ks + S *persamaan Monod Æ Jacques Monod
Pada kondisi μ =
½ μm
Ks = S *Ks = Konstanta Michaelis-Menten Æ kinetika enzim
Pada kondisi substrat tidak terbatas Æ Fase log
Ks <<< S S μ = μm
________
Ks + S
μ = μm
μm penting di industri Æ produksi ÆTergantung: - jenis mikrob - kondisi fermentasi - jenis substrat: Æ C sederhana Æ C komplek *Bila substrat 1 habis, substrat 2 tersedia Æ fase log 2 Æ μm 2 Pd substrat komplek (2): Æ 2 fase log Æ dipisah fase lag 2
DIAUXY
☺Fase Stasioner : Æ substrat banyak digunakan Æ syw toksik terakumulasi Laju pertumbuhan melambat/terhenti Biomasa konstan
Beberapa metabolit penting disintesis pada Fase stasioner
☺Fase Kematian : Æ sel kehabisan energi Æ lamanya waktu dari stasioner ke kematian tergantung mikrob & prosesnya
Aplikasi di industri tidak sampai fase ini
Proses dihentikan
Setelah fase log Sebelum fase kematian
Tgt produk diproduksi di fase mana ?
2. Fermentasi Fed-Batch Æ pengembangan sistem batch Æ ada penambahan media baru Æ tidak ada kultur yg keluar Æ Yield lebih tinggi dari batch -Memperpanjang fase log or stasioner -Menghindari represi krn [substrat] tinggi Kapan penambahan Æ [substrat] Monitor proses
3. Fermentasi Kontinu Æ sistem terbuka Æ ada penambahan media baru Æ ada kultur yg keluar Æ volume tetap Æ fase fisiologi sel konstan -Ada 2 tipe sistem: 1. Homogenously mixed bioreactor 2. Plug flow reactor
Homogenously mixed bioreactor Ada 2 macam: a. Chemostat: Æ Steady state Æ faktor pembatas salah satu nutrien Æ pertumbuhan sel terkontrol b. Turbidostat: Æ Steady state Æ monitor turbiditas biomasa
Plug flow reactor Æ Kultur dialirkan dlm reaktor berbentuk tabung Æ Tanpa percampuran balik Æ Sel harus ditambahkan dg subtrat baru -komposisi nutrien -Jumlah sel -[O2] -produktivitas
Beda-beda
Tiap lokasi reaktor
Kondisi steady state : ÆSel tercuci/hilang = pertumbuhan sel D=μ D= dilution rate μ = (1/X) (dX/dt)
Laju pertumbuhan [sel] di bioreaktor
Dg persamaan Monod & konstanta Yield (Ys): biomasa Ys = ------------------------konsumsi substrat
D Ks S = -----------μm D
D Ks X = Ys (So - -------------- ) μm D
So = [substrat] awal
Pd flow rate rendah Æ substrat hampir terpakai semua: Æ S~0 X = Ys .So Jika D meningkat Æ X turun perlahan sampai pd D = μm Pencucian Æ tercapai Dm Æ X ~ 0 μm So Dm = -------------Ks + So
So ----------- ~ 1 Ks + So
D m = μm
•Jika D > Dm Æ kondisi steady state tidak akan tercapai Æ sel akan tercuci !!!! • Jika D sedikit lebih rendah dari Dm Æ sistem sensitif thd pengaruh luar Pengembangan fermentasi kontinu untuk produksi: Æ protein sel tunggal Æ antibiotik Æ pelarut organik Æ kultur starter Æ dekomposisi selulosa Æ pengolahan limbah cair Æ beer Æ glukosa isomerase Æ etanol
Kendala aplikasi di skala industri: ÆHarus stabil untuk paling tidak 500 – 1000 jam Æ skala lab: 20 – 200 jam ÆSulit menjaga sterilitas dalam jangka waktu lama ÆKomposisi media harus selalu sama ÆTimbulnya mutan yg produktivitasnya rendah dg pertumbuhan lebih cepat
Kelebihan fermentasi kontinu: 1. 2. 3. 4.
Bioreaktor lebih kecil utk produksi jumlah sama Batch perlu peralatan besar, juga utk proses selanjutnya Tidak ada waktu istirahat dalam produksi Taraf fisiologi MO sama
Fermentasi Batch vs Fed-Batch E. Coli rekombinan produksi protein asing: 1. Pd fase stasioner produk didegradasi segera 2. Fed-batch: ada perpanjangan fase log
Kembali
μm beberapa fungi dg substrat glukosa Organisme Aspergilus niger Aspergilus nidulans
Penicillium chrysogenum Mucor hiemalis Fusarium avanaceum Fusarium graminearum Verticillium agaricinum Geotricum candidum
T (oC) 30 20 25 30 37 25 25 25 30 25 25
kembali
μm(h-1) 0.20 0.090 0.148 0.215 0.360 0.123 0.17 0.18 0.28 0.24 0.41
Waktu doubling (h)
3.46 7.72 4.68 3.23 1.96 5.65 4.1 3.8 2.48 2.9 1.7
μm Fusarium graminearum (glukosa, 30 C) Substrat
Glukosa Maltosa Maltotriosa
Jumlah glukosa (unit) 1 2 3
kembali
μm(h-1)
0.28 0.22 0.18
Waktu doubling (h)
2.48 3.15 3.85
