Materi 8 – Review, Instrumentasi Bioproses

TPPB 8
REVIEW,
INSTRUMENTASI BIOPROSES
Dimas Firmanda Al Riza, ST,
M.Sc
MATERI SEBELUM UTS
1. Pengantar
2. Karakteristik Berbagai Parameter Proses
3. Sistem Pengukuran Offline
4. Sistem Pengukuran Online, Non Destructive Test
MATERI SETELAH UTS
1. Review, Instrumentasi Bioproses
2. Pengolahan dan penggunaan data hasil pengukuran
3. Pemodelan Bioproses
4. Dasar Pengendalian Bioproses
5. Alternatif algoritma pengendalian untuk bioproses: Fuzzy Logic Control
REFERENSI
1. Chen, Haisong. 2005. Methods and Algorithms for Optimal Control
of Fed Batch Fermentation Processes. Cape Peninsula University of
Technology.
2. Michael L. Shuler and Fikret Kargi. Bioprocess Engineering, Basic
Concepts, 2nd edition
3. Mandenius, CF, Hooker, NJT, 2013, Measurement, Monitoring.
Modelling and Control of Bioprocesses, Springer
4. Kuswadi, S, 2007, Kontrol Cerdas: Teori dan Aplikasi Praktisnya,
Penerbit Andi
5. Vogel HC, Todaro CL,1997, Fermentation and Biochemical
Engineering Handbook: Principles, Process Design, and Equipment,
2nd Ed, Noyes Publication
PROPORSI NILAI
UTS
(30%)
Tugas
UTS
(10%)
Praktikum
(20%)
Nilai
Akhir
Tugas
UAS
(10%)
UAS
(30%)
REVIEW
Proses - “Konversi dari bahan menjadi produk menggunakan operasi fisika atau
kimia (bisa dimaksudkan untuk proses operasi ataupun peralatan proses)”
Jenis-jenis proses kontinyu
REVIEW
Jenis-jenis proses batch dan semi batch
2
PARAMETER
BIOPROSES
FERMENTASI
Fermentasi adalah kemampuan intrinsik dari mikroorganisme untuk melakukan
transformasi kimiawi kompleks pada senyawa kimia dalam arti suatu aktivitas
metabolik dan aksi dari enzim.
Fermentasi adalah proses metabolik yang mengkonversi gula menjadi asam, gas
dan/atau alkohol
PADA APAKAH FERMENTASI TERJADI
Saccharomyces cerevisiae
Fermentasi dapat terjadi pada:
1. Yeast (Mikroorganisme sel tunggal, eukariot, termasuk
kingdom fungi)
2. Bacteria (Mikroorganisme sel tunggal, prokariot,
kelompok organisme yang tidak memiliki membran
inti sel)
3. Otot yang kekurangan oksigen (fermentasi asam
laktat)
Lactobacillus sp.
Fermentasi di otot
JENIS FERMENTASI
Jenis fermentasi antara lain adalah sebagai berikut:
1. Fermentasi Alkohol
2. Fermentasi Asam Laktat
3. Fermentasi Asam Cuka
FERMENTASI ALKOHOL
Fermentasi alkohol merupakan suatu reaksi
pengubahan glukosa menjadi etanol (etil
alkohol) dan karbon dioksida. Organisme
yang
berperan
yaitu
Saccharomyces
cerevisiae (ragi) untuk pembuatan tape, roti
atau minuman keras. Reaksi Kimia:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP
FERMENTASI ASAM LAKTAT
Fermentasi asam laktat adalah respirasi yang
terjadi pada sel hewan atau manusia, ketika
kebutuhan oksigen tidak tercukupi akibat
bekerja terlalu berat. Di dalam sel otot asam
laktat dapat menyebabkan gejala kram dan
kelelahan. Laktat yang terakumulasi sebagai
produk limbah dapat menyebabkan otot letih
dan nyeri, namun secara perlahan diangkut oleh
darah ke hati untuk diubah kembali menjadi
piruvat. Glukosa dipecah manjadi 2 molekul
asam piruvat melalui glikolisis , membentuk 2
ATP dan 2 NADH.
FERMENTASI ASAM CUKA
Merupakan suatu contoh fermentasi yang
berlangsung dalam keadaan aerob. fermentasi ini
dilakukan oleh bakteri asam cuka (acetobacter
aceti) dengan substrat etanol. Energi yang
dihasilkan 5 kali lebih besar dari energi yang
dihasilkan oleh fermentasi alkohol secara anaerob.
REAKSI
Persamaan Reaksi Kimia
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (Energi yang dilepaskan:118 kJ per mol)
Dijabarkan sebagai
Gula (glukosa, fruktosa, atau sukrosa) → Alkohol (etanol) + Karbon dioksida + Energi
(ATP)Jalur biokimia yang terjadi, sebenarnya bervariasi tergantung jenis gula yang
terlibat, tetapi umumnya melibatkan jalur glikolisis, yang merupakan bagian dari tahap
awal respirasi aerobik pada sebagian besar organisme. Jalur terakhir akan bervariasi
tergantung produk akhir yang dihasilkan.
CELL INPUT DAN CELL OUTPUT
SUBSTRATE(S) INPUT AND OUTPUT
Oxygen
Carbon dioxide
Carbon and
Energy
Sources
Biomass
Nitrogen
Source
CELL
Metabolite(s)
Water
Other requirements
(P, S,Na,K,Mg,etc…)
Heat
PARAMETER2 UNTUK PROSES KULTIVASI
Physical
Chemical
Biological
- Temperature
- Bioreactor Pressure
(St. St. Bioreactors)
- Agitation Speed
- Gas Flow rate
- Total volume
- Feeding rate
- Power Input
- Foam
- pH
- Dissolved oxygen
- Cell Morphology
- Cell viability
- Optical Density
- Cell Dry weight
- Cellular composition
- Specific growth rate
- Specific substrate(s) consumption rates.
- Specific production rate
- Reactor weight
- Feeding tank weight
- Culture Viscosity
- Gas Hold up
- Gas Mixing pattern
- Dissolved carbon dioxide
- Redox potential
- Out gas analysis (O2, CO2, N2)
- Substrate(s)
- Product(s)
- Enzyme activities
- Volatile compounds
- Conductivity
- Biomass composition (C,H,O,N,P,S)
- Metabolite profiling
- Mineral Ions
- Oxygen uptake rate
- Carbon dioxide production rate
- RQ
- Growth inhibitors
- Protein
- DNA / RNA
- ATP / ADP / AMP
PROSES FERMENTASI
Proses ini dapat dilakukan dalam tangki yang disebut bioreaktor atau fermentor
dan digunakan untuk produksi makanan, minuman, obat-obatan, produk kimia dan
sebagainya.
FERMENTASI PADA PENGOLAHAN PANGAN
Pada pengolahan pangan proses fermentasi
terkadang diartikan
sebagai
konversi
dari
karbohidrat menjadi alkohol dan karbon dioksida
atau asam organik menggunakan yeast, bakteri atau
kombinasinya pada kondisi anaerob.
Terkadang pula diartikan spesifik pada konversi
kimiawi gula menjadi ethanol, proses yang digunakan
untuk memproduksi minuman beralkohol seperti wine,
beer, dan cider.
Fermentasi juga diaplikasikan pada proses
pengembangan roti (CO2 yang dihasilkan oleh
aktivitas yeast).
Selain itu digunakan pula pada teknik pengawetan
untuk menghasilkan asam laktat pada makanan asam
seperti kimchi, yogurt, natto dll.
FERMENTASI PADA PENGOLAHAN PANGAN
Produk pangan lain yang memanfaatkan proses
fermentasi antara lain:
Berbahan kacang-kacangan: Kecap, Natto, Miso,
Tempe, dll.
Berbahan susu: Yogurt, kefir, keju, dll.
Berbahan sayuran: Kimchi, Sauerkraut, dll
Berbahan Buah: Nata de coco, Wine, Asinan, dll
Dan masih banyak yang lainnya…
Ada yang bisa anda sebutkan selain yang diatas?
PERMASALAHAN PADA PROSES FERMENTASI
Meskipun fermentasi memiliki sistem Quality Control tersendiri, perubahan mendadak
yang tak dapat dijelaskan terjadi dari waktu ke waktu pada karakteristik proses.
Perubahan-perubahan itu meliputi (Michael and Friket, 1992):
• Waktu Fermentasi
• Atenuasi
• Kontaminasi
• pH
• Temperatur
• DO
• Flow Rate
KEBUTUHAN UNTUK MENGAMATI PROSES
Monitoring proses diperlukan antara lain untuk:
1. Evaluasi Performansi Proses
2. Quality Control
3. Process Control
Integrated of Mathematical Methods for Advanced Process Control
Ref. (Clementschitsch and Bayer. Microbial Cell Factories 5:19 (2006)
Input and Output of Bioreactor system (General overview)
TERIMAKASIH
dimasfirmanda.lecture.ub.ac.id