TEKNOLOGI PROSES HILIR (DOWNSTREAM PROCESSING TECHNOLOGY)
Tujuan mempelajar proses hilir: Mengerti penerapan satuan-satuan operasi untuk merancang proses hilir yang efektif dan efisien Mengetahui pertimbangan-pertimbangan yang perlu untuk memproses molekul-molekul/bahan biologis
Tujuan Proses Hilir: Mendapatkan produk dengan hasil/rendemen/yield tertinggi, mutu/kualitas yang dapat diterima dan biaya terendah
Tipe Produk Biologis: 1. 2.
3. 4.
Sel ⇒ PST, ekstrak khamir, vaksin, inokulum, pupuk hayati, biokontrol, dsb. Protein ⇒ Enzim : Amilase, Lipase, Protease ⇒ Hormon : Insulin, HGH (Human Growth Hormon) ⇒ Lain-lain : tpA (tissue plasminogen Activator), factor VIII Polisakarida ⇒ Xantan, Hyaluronic acid Molekul-Molekul Organik ⇒ Antibiotik : Penisilin, Tetrasiklin ⇒ Pelarut Organik : Aseton, Butanol, Etanol ⇒ Asam Organik : Asam Sitrat
Karakteristik Produk Biologis •
• • • • •
– – – – –
Sensitif
suhu : < 60oC pH Oksidasi Tegangan geser (shear)
Campuran Heterogen
Mengandung kontaminan dengan sifat fisikokimia mirip dengan produk : toksin, pyrogen, lipopolisakarida
Produk terkadang toksik – Sel Aspergillus niger, Clostridium –
– –
Debu protein/protease
Konsentrasi produk rendah Tidak stabil
Enzim yang dihasilkan dapat mendegradasi produk lain Penambahan anti foam mempersulit proses hilir
Diperlukan kemurnian yang tinggi untuk beberapa pemakaian
Pertanyaan dalam pengambilan keputusan Proses Hilir yang akan dipilih
• • • • • •
Nilai ekonomi produk? Kualitas produk yang dapat diterima? Lokasi produk dalam campuran komplek? Lokasi kontaminan? Sifat-sifat fisik dan kimia produk dan kontaminan? Biaya macam-macam pilihan proses hilir?
Biaya Proses Hilir ⇒ 60 – 90 % Total Biaya
Urutan Proses Hilir untuk Produk Biologis 1. 2. 3. 4. 5.
Perlakuan pendahuluan ⇒ pemecahan sel, stabilisasi, sterilisasi, pasteurisasi, flokulasi Pemisahan cairan-padatan ⇒ sedimentasi, filtrasi, sentrifugasi Pemekatan ⇒ membran, presipitasi, evaporasi, ekstraksi, pemekatan beku Pemurnian ⇒ presipitasi, ekstraksi, diafiltrasi. Adsorbsi, kromatografi Formulasi ⇒ pengeringan, granulasi, tableting, ekstruksi, prilling
Tiga Sektor Pasar Produk Bioteknologi: 1.
2. 3.
Protein terapeutik seperti factor VIII dan urokinase Harga jual produk bisa s/d 109 US$/kg Tapi volume pasarnya rendah Factor VIII diperlukan di dunia hanya 0.1 – 1 kg/tahun. Bandingkan dengan penisilin yang diperlukan 1.5 x 107 kg/th. Enzim diagnostik dan antibody monoclonal. Insulin, luciferase, glycerophosphate dehydrogenase Produk-produk curah industri Ex.: Antobiotik, protease, amilase, asam-asam organik, etanol
Karakteristik Bioproses Karakteristik
Sektor 1
Sektor 2
Sektor 3
Volume Mikroorganisme
0.1 – 105 kg/th Rekombinan
106 – 109 kg/th Tipe liar/alami
Kemurnian produk
Sangat tinggi
103 – 105 kg/th Sebagian rekombinan Tinggi
Rendemen Harga/ongkos
Kurang penting Dipengaruhi oleh proses hilir
Penting 20 – 50% Dipengaruhi bahan baku
Sangat penting 50 – 90 % dipengaruhi bahan baku
Teknologi
Affinity kromatografi, elektroforesis
Kromatografi, adsorbsi, membran
Filtrasi, ekstraksi, adsorbsi, presipitasi, evaporasi, membran
Relatif rendah
Faktor yang dimanfaatkan untuk pemisahan: 1. 2. 3. 4. 5.
Ukuran Ex.: filtrasi, mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, dan kromatografi gel Difusifitas Ex.: reverse osmosis, dialysis Muatan ion Ex.: pertukaran ion Kelarutan/solubility Ex.: ekstraksi menggunakan pelarut densitas/massa jenis ex.: sedimentasi, sentrifugasi, untrasentrifugasi
FILTRASI • Medium filter yang umum: Canvas, wool, tenunan sintetis, logam atau serat gelas • Pretreatment yang sering dilakukan: – pemanasan – koagulasi/flokulasi dengan asam/basa, polielektrolit sintetis (polyamin, polyacrylamide), garam (FeCL3, Borat)
- Filter aids (diatomae, perlit, bentonit
FILTRASI
ROTARY DRUM VACUM FILTER
SENTRIFUGASI • Keuntungan/Kelebihan: Lebih efektif bila partikel padatan lebih kecil dan sulit disaring/tidak mungkin disaring • Kelemahan: lebih mahal • Prinsip kerja : memanfaatkan perbedaan densitas antara padatan dan cairan, dan gaya sentrifugal
SKEMA SENTRIFUGE
INDUSTRIAL CENTRIFUGE
PEMECAHAN SEL • untuk penglepasan komponen intraseluler • Pemecahan Sel: • Mekanis – homogeniser – bead mill
• Non-mekanis
– fisik (rejatan panas) – kimia (deterjen, pelarut, EDTA) – enzimatis
Bead Mill • Grinding silinder dengan impeller • Terbuat dari baja atau gelas • berisi manik-manik (±80 %) terbuat dari: zirconium oxida zirconium silicat titanium carbid kaca alumina keramik
INDUSTRIAL BEAD MILL
Homogenizer • pompa bertekanan tinggi (200 – 1000 bar) yang menekan suspensi sel melalui lubang berkatup
HOMOGENIZER
ULTRASONIKASI • Ultrasonikator membangkitkan gelombang suara diatas 16 kHz yg menyebabkan gelombang shock. Umum digunakan pd skala lab tapi tidak praktis dan mahal utk skala besar.
Pemecahan Sel Secara NonMekanik Rejatan panas (heat shock)→ thermolysis • mudah dan murah • hanya untuk produk yang tahan panas • efektifitas tergantung kepada pH, kekuatan ion, keberadaan bahan pemisah seperti EDTA, bahan pengkelat yang mengikat ion tertentu seperti Mg2+ • Rendemen s/d 90 % (biasanya 60 – 80%)
Cara kimia (Chemical Cell Lysis) * penambahan surfaktant/deterjen seperti Triton X-100, SDS, sodium sulfonat * penambahan pelarut organik seperti octanol, aseton, toluen utk merusak dinding sel * Penambahan alkali utk menyabunkan dinding sel
Kelemahan cara kimia ini: • mempengaruhi/mengkontaminasi produk • mempengaruhi proses hilir dan rendemen
Biologis/Enzimatis • penambahan lysozim untuk menghancurkan dinding sel • Enzim lain yang digunakan:
– Glucanase, Mannase, Protease → untuk yeast – Pektinase dan Selulase → untuk sel tanaman
• Konsumsi energi rendah, reaksi spesifik, resiko produk rusak kecil, ramah lingkungan, tapi mahal.
EKSTRAKSI • Proses pemisahan bahan terlarut dalam
larutan umpan dengan cara kontak dengan cairan pelarut lain. • Setelah ekstraksi, fase kaya pelarut disebut ekstrak, sedangkan cairan residu yang bahan terlarutnya telah diekstraksi → raffinat
EKSTRAKSI
PURIFIKASI Setelah produk dipanen dan diisolasi, selanjutnya produk dapat dimurnikan. Pemurnian dapat dilakukan dengan presipitasi, kromatografi, elektroforesis dan ultrafiltrasi • Presipitasi Presipitasi yg umum dilakukan untuk pemurnian protein dan antibiotik, dapat dilakukan dengan penambahan garam, pelarut organik atau panas.
KROMATOGRAFI • Larutan yg mengandung beberapa bahan
terlarut diinjeksikan pada satu ujung kolom, dan eluent membawa larutan melewati fase diam ke ujung kolom. Tiap bahan terlarut bergerak pada laju yg proporsional dg afinitas relatifnya thd fase diam dan keluar pada ujung kolom sebagai band yg terpisah • Tergantung pd tipe adsorben atau interaksi bahan terlarut dengan adsorben, kromatografi dipisahkan atas kromatografi adsorpsi, pertukaran ion, affinitas, dan filtrasi gel.
Gel Filtration Chromatografi
Ion Exchange Chromatography
Affinity Chromatography
INDUSTRIAL CHROMATOGRAPHY
