Upload
muklis-abdulatip
View
130
Download
19
Embed Size (px)
DESCRIPTION
kultivasi
Citation preview
m.k Teknologi Bioindustri
TEKNIK KULTIVASI
DAN
PROSES HILIR
Departemen Teknologi Industri PertanianFATETA - IPB
Skema Umum Proses Kultivasi
Biorektor
Pengembangan Inokulum
Kultur Stok
LabuKocok
BioreaktorInokulum
Sterilisasi Media
Formulasi Media
Bahan Baku Media
Cairan Fermentasi
Biomassa
PemisahanSel
SupernatanBebas Sel
Ekstraksi Produk
Pemurnian Produk
Pengemasan produk
PenangananLimbah Cair
Metode kultivasi berdasarkan cara operasi bioreaktor :
- curah (batch) - sinambung (continuous) - semi sinambung (fed- batch)
METODE KULTIVASI
Continuous
Kultur Curah (BatchKultur Curah (Batch
tXX
dtX
dX
Xdt
dX
V
FXX
dt
dX
0lnln
00
matisel
mati sel -n pengeluara - seln pertumbuha selAkumulasi
Neraca Biomassa
Plot ln X vs t akan memperoleh nilai
Keterangan : : laju pertumbuhan spesifik (waktu-1)F : laju alir (vol/waktu)X : konsentrasi biomassa (g/l)
rX = dX/dt
Ln X
t
rx = X
Pembentukan Produk :
Keterangan : P = konsentrasi produk (g/l) qp = laju spesifik pembentukan produk (g/g sel.jam) k = tetapan laju destruksi produk
Xq
kPV
FPXqr
p
pp
dt
dP
00dt
dP
destruksi-npengeluara-sintesis produk Akumulasi
rp == qp X
Konsumsi Substrat :
Keterangan : S = konsentrasi substrat (g/l) ; m = tetapan pemeliharaan sel
qs = laju spesifik penggunaan substrat (g/g sel.jam)
sp
p
sx
s
sp
p
sx
sp
p
sx
i
Y
q
Yq
dt
dS
X
mXY
Xq
Y
X
V
SFmX
Y
Xq
Y
X
V
SF
1
m :aerobik dt
dS-
00
dt
dS-
npengeluara - selan pemelihara - P sintesisunt konsumsi
-n pertumbuhaunt konsumsi -umpan substrat akumulasi
00
rs = qs X
Yield Coefficient (Tetapan Rendemen) pembentukan produk berasosiasi dengan pertumbuhan sel
Yp/x = dP/dX = rp/rx
Yp/s = dP/dS = rp/rs
Yx/s = dX/dS = rx/rs
rp = Yp/x rx
qpX = Yp/x µX qp = Yp/x µ
rp = Yp/s rs
qpX = Yp/s qs X qp = Yp/s qs
rx = Yx/s rs
µX = Yx/s qs X µ = Yx/s qs
Laju Spesifik Pembentukan Produk & Penggunaan Substrat
(g/g sel.jam) qp & qs : tidak tergantung konsentrasi sel menggambarkan efektivitas sel dlm mensintesis
produk atau penggunaan substrat berguna untuk membandingkan efektivitas hasil
suatu fermentasi
Laju Volumetrik (Q ; g/l.jam) : Qp & Qs tergantung dari konsentrasi sel menggambarkan laju sintesis produk atau kebutuhan
substrat untuk tiap satuan volume bioreaktor
Pola Pembentukan Produk : Pembentukan produk berasosiasi dengan
pertumbuhan (growth associated) = Metabolit Primer
Pembentukan produk tidak berasosiasi dengan pertumbuhan (non growth associated) = Metabolit Sekunder
Campuran keduanya
Aplikasi Kultur Curah :
• Digunakan untuk memproduksi biomassa, metabolit primer dan Digunakan untuk memproduksi biomassa, metabolit primer dan metabolit sekundermetabolit sekunder
• Untuk produksi Untuk produksi biomassabiomassa digunakan kondisi kultivasi yang digunakan kondisi kultivasi yang mendukung pertumbuhan biomassa, sehingga mencapai maksimalmendukung pertumbuhan biomassa, sehingga mencapai maksimal
• Untuk prodiksi Untuk prodiksi metabolit primermetabolit primer kondisi kultivasi harus dapat kondisi kultivasi harus dapat memperpanjang fase eksponensial yang dibarengi dengan sintesisi memperpanjang fase eksponensial yang dibarengi dengan sintesisi produkproduk
• Untuk produksi Untuk produksi metabolit sekundermetabolit sekunder kondisi kultivasi harus dapat kondisi kultivasi harus dapat memperpendek fase eksponensial dan memperpanjangmemperpendek fase eksponensial dan memperpanjang
fase stasionerfase stasioner
Kultur Sinambung
XS
F0 (l/jam)S0 (g/l)X0 (g/l) = 0(umoan steril)
F (l/jam)S (g/l)X (g/l)
Neraca Biomassa :
Dstate)(steady tunak kondisi pada
0
000
sel Akumulasi mati Sel - tumbuh Sel keluar Sel -masuk Sel
DV
FX
V
FX
XXV
F
dt
dXXXX
V
FXo
V
F
Keterangan : D = laju dilusi = F/V (jml vol kultur yang melalui bioreaktor)
(jam-1)
VKultur sinambung dijalankan setelahtercapai Xmaks
Kultur SinambungKultur Sinambung
Neraca substrat
sx
sx
sp
p
sx
Y
DXSSD
DY
XSSo
V
F
mXY
Xq
Y
XS
V
FSo
V
F
dt
dS
0
)(
000
anpemelihara - *konsumsi -keluar -umpan Akumulasi
SSYXsx 0
Bila tidak ada pembentukan P, Contohnya PST
*
*Konsumsi unt pertumb & pembentukan produk)
Neraca Produk
XYDPXYPV
F
XYPV
F
XYPV
FPo
V
F
dt
dP
xpxp
xp
xp
/1/1
/1
/1
0
)0(
sintesis keluar -umpan Akumulasi
P1 = (Yp/x. µX)/D
Untuk hubungan antara X, S dan D, diperlukan model yang mengekspresikan laju pertumbuhan sebagai fungsi dari substrat pembatas Model Monod
Keterangan : Ks = tetapan “half-rate saturation” = konsentrasi S pada μ = ½ μmaks
SK
S
s
.maks
SK
S
s
.DD crit
D
K s
critD
D.S
Dcrit
s0
sx0
sx D
D.KSYXSSYX
Dcrit = laju dilusi kritis
(menggambarkan laju dilusi maksimum dari operasi keadaan
tunak) biasanya Dcrit = μmaks
D (Ks + S) = Dcrit S
D Ks + D S = Dcrit S
D Ks = Dcrit S - D S = S (Dcrit – D)
X,S,P
P
X S
D
Kurva Pengaruh D pada Kultur Sinambung
Aplikasi Kultur Sinambung :Aplikasi Kultur Sinambung :
Merupakan ‘alat’ untuk penelitian fisiologi dan biokimia Merupakan ‘alat’ untuk penelitian fisiologi dan biokimia mikroba, dikarenakan kondisinya mantap, laju mikroba, dikarenakan kondisinya mantap, laju pertumbuhan dapat diatur oleh laju alir dan laju pertumbuhan dapat diatur oleh laju alir dan laju pertumbuhan dibatasi oleh konsentrasi substrat pembatas pertumbuhan dibatasi oleh konsentrasi substrat pembatas dapat digunakan untuk penelitian pengaruh substrat dapat digunakan untuk penelitian pengaruh substrat pembatas thd kinerja mikroba, untuk perbaikan sistem pembatas thd kinerja mikroba, untuk perbaikan sistem curah/semi sinambungcurah/semi sinambung
Untuk Untuk isolasi dan seleksi mikrobaisolasi dan seleksi mikroba penghasil enzim penghasil enzim menggunakan media diperkaya menggunakan media diperkaya
Untuk produksi Untuk produksi biomassabiomassa, contoh ICI (Imperial Chemical , contoh ICI (Imperial Chemical Industries, kapasitas bioreaktor 3000 mIndustries, kapasitas bioreaktor 3000 m33, substrat metanol) , substrat metanol)
Untuk produksi Untuk produksi birbir menggunakan bioreaktor menara menggunakan bioreaktor menara (tower bioreactor)(tower bioreactor)
Kultur ini merupakan kultur curah yang diberi umpan secara sinambung atau sekuensial, tanpa pengeluaran isi bioreaktor, sehingga volume bervariasi selama kultivasi konsentrasi nutrien bervariasi
Keuntungan :
1. Dapat menekan efek represif sumber karbon dan mempertahankan kapasitas aerasi dalam bioreaktor
2. Dapat mencegah efek toksik komponen media
Keadaan “quasy-steady state” :
Kultur curah dengan pertumbuhan yang dibatasi oleh konsentrasi suatu substrat dan semua nutrien lain berlebih
X = Xo + Yx/s ( So– S)
Pada saat S ~ 0, akan tercapai Xmaks dan Xo <<X, sehingga
Xmaks = Yx/s ( So– S)
Kultur Semi SinambungKultur Semi Sinambung
Pada saat X = Xmaks , diberi umpan media dengan D < μmaks, maka S segera dikonsumsi begitu memasuki kultur akumulasi (dS/dt) = 0 Neraca Substrat :
Meskipun total biomassa meningkat terhadap waktu, namun konsentrasi sel tetap mengingat volume juga meningkat dX/dt = 0 μ ~ D (quasy-steady state)
sx
sx
sx
Y
XVSF
Y
XVSF
Y
XS
V
F
0
0
0
.
0.
0.
Akumulasi Konsumsi -Input
Semakin lama, nilai D << karena volume semakin meningkat
Vo = volume awal & F = laju alir ; t = waktu
Pada kultur ini, sisa substrat kecil sebagai akibat konsentrasi sel meningkat
tFV
FD
.0
Penentuan μ pada Kultur Semi-sinambung :
Diintegrasikan : ln VX - ln VoXo = μ t
μ
t
Perbandingan :
Kultur sinambung : μ = DKultur semi Sinambung : D << dan μ << dengan laju yang sama
VXdt
XdV .
ln VX
Fed-batch mode of fermentation has the following features:
Advantages:• Production of high cell densities due to extension of working time (particularly important in the production of growth-associated products) • Controlled conditions in the provision of substrates during the fermentation, particularly regarding the concentration of specific substrates as for ex. the carbon source • Control over the production of by-products or catabolite repression effects due to limited provision of substrates solely required for product formation • The mode of operation can overcome and control deviations in the organism's growth pattern1 as found in batch fermentation • Allows the replacement of water loss by evaporation • Alternative mode of operation for fermentations leading with toxic substrates (cells can only metabolize a certain quantity at a time) or low solubility compounds • Increase of antibiotic-marked plasmid stability by providing the correspondent antibiotic during the time span of the fermentation • No additional special piece of equipment is required as compared with the batch fermentation mode of operation
Disadvantages:
• It requires previous analysis of the microorganism, its requirements and the understanding of its physiology with the productivity • It requires a substantial amount of operator skill for the set-up, definition and development of the process • In a cyclic fed-batch culture, care should be taken in the design of the process to ensure that toxins do not accumulate to inhibitory levels and that nutrients other than those incorporated into the feed medium become limiting, Also, if many cycles are run, the accumulation of non-producing or low-producing variants may result • The quantities of the components to control must be above the detection limits of the available measuring equipment
The use of fed-batch culture by the fermentation industry takes advantage of the fact that the concentration of the limiting substrate may be maintained at a very low level, thus :
- avoiding repressive effects of high substrate concentration -controlling the organism’s growth rate and consequently controlling the oxygen demand of the fermentation.
•Saccharomyces cerevisiae is industrially produced using the fed-batch technique so as to maintain the glucose at very low concentrations, maximizing the biomass yield and minimizing the production of ethanol, the chief by-product
•Hepatitis B surface antigen (HbsAg) used as a vaccine against type B hepatitis has been purified from human plasma and expressed in recombinant yeast, being now produced commercially. Again, the production of the recombinant protein is achieved using fed-batch culture techniques very similar to that developed for Saccharomyces cerevisiae. A cyclic method is used due to reports of superior productivity
•Penicillin production is an example for the use of fed-batch in the production of a secondary metabolite. The fermentation is divided in two phases: the rapid-growth phase during which the culture grows at the maximum specific growth rate, and the slow-growth phase in which penicillin is produced. During the rapid-growth phase, an excess of glucose causes an accumulation of acid and a biomass oxygen demand greater than the aeration capacity of the fermentor, whereas glucose starvation may result in the organic nitrogen in the medium being used as a carbon source, resulting in a high pH and inadequate biomass formation. During the production phase, the feed rates utilized should limit the growth rate and oxygen consumption such that a high rate of penicillin synthesis is achieved and sufficient dissolved oxygen is available in the medium
Some other examples are the production of thiostrepton from Streptomyces laurentii and the production of cellulase by Trichoderma reesei. The production of thiostrepton uses pH feedback control and the production of cellulase utilizes carbon dioxide production as a control factor