Bioprocess Engineering

Large Scale Production and
Commercialization of Proteins
from Recombinant
Microorganisms
Linawati Hardjito, PhD
Biology
Chemistry
Genetics
Engineering
Statistics
Economics
Process & Products Development
Natural Products
Biotechnology
Biodiversity
Pharmaceuticals
Biomedical probes
Nutraceuticals
Cosmetics
Food/Feed
Industrial Chemicals
Pollution Control
Bioremediation
Biofiltration
Bioleaching
Bioabsorption
Aquaculture related product
Bioprocess Engineering
Bioreactor 2000 L
Bioproses
proses yang memanfaatkan organisme (khususnya
mikroorganisme) untuk mengasilkan produk & proses
yang bermanfaat untuk kemidupan manusia dan
lingkungannya
Sub-disiplin bioteknologi yang berperan merubah
penemuan bioteknologi menjadi produk/proses
Contoh:
•
•
•
•
•
Produksi rekombinan enzim amilase dengan Saccharomyces
cerevisiae dan Pichia pastoris
Produksi rekombinan selulase, lipase dengan Escherichia coli
Produksi penisilin dengan Penicillium sp
Bioremeidasi tanah terkontaminasi minyak bumi
Produksi biopigmen pycoerythrin dengan mikroalga
Porphyrodium cruentum
Biology
Chemistry
Genetics
Engineering
Statistics
Economics
Process & Products Development
Natural Products
Biotechnology
Marine Biodiversity
Pharmaceuticals
Biomedical probes
Nutraceuticals
Cosmetics
Food/Feed
Industrial Chemicals
Pollution Control
Bioremediation
Biofiltration
Bioleaching
Bioabsorption
Aquaculture related product
Perbaikan genetik
Mutasi
Rekayasa genetika
Oganisme/ekstrak
terpilih
Fraksinasi
Pemurnian
Karakterisasi
Struktur elucidasi
Pengembangan & Optimasi bioproses
Pemilihan media (C,N, mineral,dll)
Pemilihan kondisi lingungan fisik & kimia
(t,pH,salinas,cahaya,oksigen)
Proses terpilih
Pengembangan budidaya
Down stream processing
•Pemanenan
•pemurnian
Formulasi produk
product
Basic research
Molecular biology
High value added product
Bioprocess Engineering
Bioprocess engineering is the discipline
that puts biotechnology to work
Sifat Unggul Bioprocess
Kondisi reaksi yang ringan/ramah lingkungan

Temperatur & tekanan ruang
Reaksi bersifat sangat spesifik dan efektif

Enzim/mikroorganisme mengkatalisis reaksi tertentu
Reaksi yang kompleks dapat diupayakan
menjadi satu kesatuan

Beberapa enzim/mikroorganisme bekerja bersamasama
Menggunakan sumberdaya terbarukan
Penerapan rekayasa genetika menungkinan
untuk meningkatan produktiftas
Sifat lemah bioproses
Campuran produk yang kompleks :
mikroba, produk, sisa nutrien
Mudah terjadi kontaminasi

Perlu sterilisasi dan penjagaan kondisi aseptik
Variabilitas dan ketidakstabilan


Mutasi alami
Mikroorganisme (enzim) tidak bisa bekerja
pada kondisi yang sangat bervariatif
Produk bioproses
Berdasarkan volume produksi dan nilai jual



Volume besar nilai rendah
Volume besar nilai menengah
Volume kecil nilai tinggi
Berdasarkan letak produk


Intraselular
Ekstraselular
Berdasarkan peran dalam metabolisme


Metabolit primer
Metabolit sekunder
Berdasarkan waktu produksi


Growth associated
Non-growth associated
Konsentrasi sel (g/L,
OD600nm,
jumlah sel/mL)
Waktu (jam,hari)
sel
Growth associated (metabolit primer
Non Growth associated (metabolit sekunder)
Kebutuhan pengembangan
bioproses
mikroorganisme
nutrien ( sumber karbon, nitrogen, mineral, vitamin,
oksigen, dll)
 Makronutrien
 Mikronutrien
Kondisi lingkungan yang sesuai (pH, salinitas, temperatur,
tekanan)
Bioreaktor (tempat kultivasi )
Penggolongan bioproses
Berdasarkan kebutuhan oksigen

Aerobik & anaerobik
Berdasarkan kandungan air dalam
campuran substrat : padat & cair
Berdasarkan moda operasi : batch, fedbatch, continuous
Berdasarkan letak pertumbuhan sel :
tersuspensi & tertambat
Bioreaktor dan moda operasi
bioreaktor : bejana, tabung, reaktor yang digunakan
untuk menumbuhkan mikroorganisme
Jenis bioreaktor & metode kultivasi
 Batch (curah) : tidak ada penambahan nutrien
dan pemanenan produk atau pembuangan limbah
selama proses kecuali udara (oksigen) untuk
proses aerobik
 Fed-batch (curah umpan) : ada penambahan
nutrien selama proses tapi tidak ada pemanenan
sampai /pembuangan limbah selesai
 Continuous (sinambung) : ada penambahan
nutrien dan pemanenan /pembuangan limbah
selama proses
Bioreaktor
Batch proses
Fin =0
Fout =0
F = kecepatan penambahan nutrien (medium) (ml/jam,
L/jam)
In = masuk, out =keluar
Fin= Fout = 0
Keuntungan
 Sederhana
 Relatif murah dibandingkan proses
lainnya
 Proses cepat
Kelemahan
 Produk inhibisi
 Substrat inhibisi
Fed-batch (curah umpan)
Sel & substrat
Fin = F
ml/jam
Sel (X)
Fout =0
Substrat (S)
Vt
waktu
Vo
Keuntungan
 Produksi sel pada konsentrasi yang
tinggi (high cell density)
 Mengurangi substrat inhibisi
Kelemahan
 Produk inhibisi
Continuous (sinambung)
Sel & substrat
Fin = F
ml/jam
Fout =F
Sel (X)
Produk (P)
Substrat (S)
Vt =vo
waktu
Keuntungan
 Mengurangi inhibisi produk
 Mengurangi inhibisi substrat
 Sistem pada kondisi steady state : bagus
untuk menentukan parameter kinetik
Kelemahan
 Waktu operasi lama
 Kemungkinan kontaminasi
 kompleks
Monitoring pertumbuhan dan
pembentukan produk
Pertumbuhan sel



Berat kering (g/L, mg/mL)
Kekeruhan ( optical density) :
spektrofotometer
Jumlah sel (hemositometer & mikroskop)
Sisa substrat (nutrisi) : g/L, mg/mL
Pembentukan produk : g/L, unit/mL
Kondisi lingkungan : pH, T, salinitas,
Dissolved Oxygen
Kinetika Pertumbuhan dan
pembentukan produk
Specific growth rate (µ): perrcepatan pertumbuhan
µ mengikuti persamaan Monod atau Michaelis
Menten


max
K
s
S
S
Untuk proses batch (curah)



Nutrisi tersedia berlebih (diberikan pada saat awal proses)
Nilai Ks kecil
µ mendekati µ max
Yield (Y)



Yx/s : sel yang dihasilkan per substrat yang
dikonsumsi (g sel/ g substrat), Δx/ Δs
Yp/s : produk yang dihasilkan per substrat
yang dikonsumsi (g produk/ g substrat), Δp/Δs
=Yp/x : produk yang dihasilkan per sel yang
tersedia (g produk/ g sel), Δp/ ΔX
Kinetika pada proses batch
dX
 X
dt
dX
 dt
X
ln X t  ln X o t
1 dX

X dt
x t
t t
dx
X 0 X   t 0dt
 Xt 
  t
ln 
Xo 
ln X t  ln X 0  t
ln X t  ln X 0  t
dX
 X
dt
dS


X
dt
Yx / s
Ln Xt
µ
Ln Xo
T =waktu
dP
 Y p / x X
dt
Contoh penentuan µ
Waktu kultivasi
(jam)
0
2
4
6
8
10
12
Sumber karbon laktat
(1 g/L)
Sumber karbon laktat
(3g/L)
Konsentrasi sel (g/L)
0.049
0.106
0.305
0.62
1.14
1.23
1.248
0.042
0.197
0.279
0.628
1.032
1.398
1.722
laktat (1 g/L)
1.4
Sel (g/L)
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Waktu (jam)
laktat (1 g/L)
1
ln X
0
-1
-2
-3
0
5
10
y = 0.403x - 2.971
R2 = 0.9911
-4
Waktu (jam )
15
laktat (3 g/L)
1
ln X
0
-1
-2
-3
0
5
10
y = 0.3781x - 2.8135
R2 = 0.9418
-4
Waktu (jam )
15
Kinetika pada proses continuous (sinambung)
dX
F
 X  X
dt
V
dX
 X  DX
dt
dS

 D( Si  S ) 
X
dt
Yx / s
dP
 Yp / x X  DP
dt
F= feed rate (kecepatan umpan, ml/Jam,
l/jam
V= volume bioreaktor (ml, L, m3)
F/V = D : dilutaion rate, nilai konstan
D= µ
X: Sel (g/L)
T ; waktu kultivasi (jam, hari)
S: Substrat (g/L)
P : produk (g/L)
Sel & substrat
Pada kondisi steady state
Sel (X)
dx/dt= 0
Substrat (S)
ds/dt=0
waktu
dX
 X  DX  0,   D
dt


max
K
s
S
D
S
DK s  S    max S
DK s  DS   max S
DK s   max  D S
DK s
S
 max  D
Sel & substrat
Pada kondisi steady state
dx/dt= 0
Sel (X)
Substrat (S)
dS

 D( Si  S )  X
dt
Yx / s
D( Si  S ) 

Yx / s
dS
0
dt
X
D
X  Yx / s ( S i  S )
Sel & substrat
D( Si  S ) 
Pada kondisi steady state

Yx / s
X
D
X  Yx / s ( S i  S )
Sel (X)
dx/dt= 0
Substrat (S)
dP
 Yp / x X  DP
dt
P  Yp / x X
dP
 0,   D
dt
Sel & substrat
Sel (X)
Produk (P)
Substrat (S)
waktu
Produktifitas bioreaktor sinambung
Sel (X) = X. D
(g/L.jam)
Sisa substrat (S) =
S.D (g/L.jam)
Produk (P) = P.D
(g/L.jam)
X  Yx / s ( Si  S
DK s
S 
 max  D
X
P 
Yp / x
Penentuan nilai Ks
D (1/jam)
µmax
½ µmax
Ks
S (g/L)
Contoh kasus
Suatu bioproses yang memanfaatkan mikroalga (Chlorella sp) digunakan untuk
mengolah limbah industri pupuk yang mengnadung ammonium 200 mg/L
dengan volume limbah yang dihasilkan adalah 75 m3/jam.
Peraturan pemerintah mengharuskan kadar ammonium dalam air buangan
maksimum 5 mg/L. Bila dari hasil percobaan di laboraorium diperoleh data
kinetika sebagai berikut : Yx/s =0.1 g sel/g NH4+ dan µmax = 0.5/hari
Tentukan :
Berapa ukuran kolam (biorekator) yang harus dibuat supaya tidak terjadi
kematian mikroalga (wash out)
Berapa konsentrasi mikroalga yang dihasilkan dalam bioreaktor
Berapa produktifitas mikroalga yang diperoleh
Bila mikroalga mengnadung vitamin B1 dengan kadar 0.1 ug/gram sel, berapa
produktifitas vitamin B1 yang dihasilkan
Berikut adalah data hasil percobaan di laboratorium untuk pertumbuhan mikroalga
Chlorella sp.
Waktu
Kepadatan sel
(hari)
Sel/mL
1
2.5 x 105
2
3.5 x 105
3
7.5 x 105
4
2.15 x 106
5
4.90 x 106
6
5.90 x 106
7
6.05 x 106
8
5.55 x 106
Bila mikroalga tersebut akan digunakan untuk mengolah air dari kolam budidaya
yang mengandung kadar ammonium 15 mg/L. Bila air tersebut akan
diresirkulasi ke kolam dengan persyaratan bahwa kadar ammonium tidak boleh
lebih dari 0.1 mg/L dengan kolam pengolah air yang tersedia memilki kapasitas
1000 m3.
1.Tentukan berapa flow rate yang diperbolehkan agar air yang dihasilkan dari
unit pengolah memenuhi persyaratan yang diinginkan
2. Hasil percobaan laboratorium menunjukkan bahwa dari 1 gram ammonium
dihasilkan 0.3 g biomasa
3. Berapa maksimum specific growth rate yang dimiliki mikroalga ?
Komersialisasi
Demand oriented
Technologically feasible
Economically feasible
Investment, Payback Period, IRR, B/C
Social and environmentally feasible