PROSES FERMENTASI
Iman rusmanaDepartemen Biologi FMIPA IPB
Industri/Bioteknologi Sel & syw metabolit mikrob
2 proses penting :1. Produksi Fermentasi2. Hilir ekstraksi & purifikasi
Pd fermentasi :Mikrob jadi objek utama
Produk yg diinginkan
Produksi optimal optimasi mediakontrol : - O2
- kondisi lainnyaKontrol terbaik:online control
Kinetika pertumbuhan mikrobPerlu dimengerti
Tergantung tipe proses fermentasinya !
3 Tipe Proses Fermentasi BatchFed-BatchKontinu
Kinetika & Kondisi berbeda
1. Fermentasi BatchSistem tertutuptidak ada penambahan media baruada + : - O2 aerasi
- antifoam- asam/basa kontrol pH
-Komposisi media-[biomasa]-[metabolit]
Berbeda
Kondisi fisiologi/metabolisme
sel
4 Fase Pertumbuhan Fase LagFase LogFase StasionerFase Kematian
Kondisi fisiologi/metabolisme sel
Beda
☺Fase Lag:Mikrob beradaftasi ling. Baru
-pH berubah-Nutrien meningkat-[inhibitor] turun
Lamanya Tergantung kondisi fisiologi inokulum
- Inokulum fase log cepat/tidak ada- inokulum fase stasiner lebih lama
*kinetika pembentukan produk tidak tergantung lamanya fase lag
☺Fase Log:Mikrob telah beradaftasisel tumbuh: jumlah sel/biomasalaju pertumbuhan konstan:
- tidak tergantung [substrat]berlebih
- tergantung: laju pertumbuhan spesifik(μ)[biomasa] (X)
Plot semilogaritmik biomasa dg waktu garis lurus
dX/dt = μ X atau dN/dt = μ N
Disebut Fase Log
Laju pertumbuhan spesifik (μ ):fungsi 3 parameter:
-[substrat] pembatas (S)-Laju pertumbuhan maksimum (μm)-Konstanta spesifik substrat (Ks)
Lamanya Tergantung kondisi fisiologi inokulum
Sμ = μm
________
Ks + S
*persamaan Monod Jacques Monod
Pada kondisi μ = ½ μm
Ks = S*Ks = Konstanta Michaelis-Menten kinetika enzim
Pada kondisi substrat tidak terbatasFase log
Ks <<< S
μ = μmS
μ = μm ________
Ks + S
μm penting di industri produksi
Tergantung: - jenis mikrob- kondisi fermentasi- jenis substrat:
C sederhanaC komplek
*Bila substrat 1 habis, substrat 2 tersedia fase log 2μm 2
Pd substrat komplek (2):2 fase logdipisah fase lag 2 DIAUXY
☺Fase Stasioner :substrat banyak digunakansyw toksik terakumulasi
Laju pertumbuhan melambat/terhenti
Beberapa metabolit penting disintesis padaFase stasioner
Biomasa konstan
☺Fase Kematian :sel kehabisan energilamanya waktu dari stasioner ke kematiantergantung mikrob & prosesnya
Aplikasi di industri tidak sampai fase ini
Proses dihentikanSetelah fase log
Sebelum fase kematian
Tgt produk diproduksi di fase mana ?
2. Fermentasi Fed-Batchpengembangan sistem batchada penambahan media barutidak ada kultur yg keluarYield lebih tinggi dari batch
-Memperpanjang fase log or stasioner-Menghindari represi krn [substrat] tinggi
Kapan penambahan [substrat]
Monitor proses
3. Fermentasi Kontinusistem terbukaada penambahan media baruada kultur yg keluarvolume tetapfase fisiologi sel konstan
-Ada 2 tipe sistem:
1. Homogenously mixed bioreactor2. Plug flow reactor
Homogenously mixed bioreactor
Ada 2 macam:
a. Chemostat: Steady statefaktor pembatas salah satu nutrienpertumbuhan sel terkontrol
b. Turbidostat: Steady statemonitor turbiditas biomasa
Plug flow reactor
Kultur dialirkan dlm reaktor berbentuk tabungTanpa percampuran balikSel harus ditambahkan dg subtrat baru
-komposisi nutrien-Jumlah sel-[O2]-produktivitas
Beda-beda
Tiap lokasi reaktor
Kondisi steady state :Sel tercuci/hilang = pertumbuhan sel
D = μD= dilution rate
μ = (1/X) (dX/dt) Laju pertumbuhan[sel] di bioreaktor
Dg persamaan Monod & konstanta Yield (Ys):
biomasa D KsYs = ------------------------- S = ------------
konsumsi substrat μm D
Pd flow rate rendah substrat hampir terpakai semua:S ~ 0
D KsX = Ys (So - -------------- )
μm D
So = [substrat] awal
X = Ys .So
Jika D meningkat X turun perlahan sampai pd D = μm
Pencucian tercapai Dm X ~ 0
μm SoDm = --------------
Ks + So
So----------- ~ 1 Ks + So
Dm = μm
•Jika D > Dm kondisi steady state tidak akan tercapaisel akan tercuci !!!!
• Jika D sedikit lebih rendah dari Dm sistem sensitifthd pengaruh luar
Pengembangan fermentasi kontinu untuk produksi:protein sel tunggalantibiotikpelarut organikkultur starterdekomposisi selulosapengolahan limbah cairbeerglukosa isomeraseetanol
Kendala aplikasi di skala industri:
Harus stabil untuk paling tidak 500 – 1000 jamskala lab: 20 – 200 jam
Sulit menjaga sterilitas dalam jangka waktu lamaKomposisi media harus selalu samaTimbulnya mutan yg produktivitasnya rendah dg pertumbuhan lebih cepat
Kelebihan fermentasi kontinu:
1. Bioreaktor lebih kecil utk produksi jumlah sama2. Batch perlu peralatan besar, juga utk proses selanjutnya3. Tidak ada waktu istirahat dalam produksi4. Taraf fisiologi MO sama
Fermentasi Batch vs Fed-Batch
E. Coli rekombinan produksi protein asing:1. Pd fase stasioner produk
didegradasi segera2. Fed-batch: ada perpanjangan
fase log
Kembali
μm beberapa fungi dg substrat glukosaOrganisme T (oC) μm(h-1) Waktu
doubling (h)
Aspergilus nigerAspergilus nidulans
Penicillium chrysogenumMucor hiemalisFusarium avanaceumFusarium graminearumVerticillium agaricinumGeotricum candidum
3020253037252525302525
0.200.0900.1480.2150.3600.1230.170.180.280.240.41
3.467.724.683.231.965.654.13.82.482.91.7
kembali
μm Fusarium graminearum (glukosa, 30 C)
Substrat Jumlah glukosa
(unit)
μm(h-1) Waktu doubling
(h)
GlukosaMaltosaMaltotriosa
123
0.280.220.18
2.483.153.85
kembali