Bioindustri modul 8_baru

BIOINDUSTRI
KULTUR FEED BATCH DAN KONTINYU
Nimas Mayang Sabrina S, STP, MP
Lab. Bioindustri, Jur Teknologi Industri Pertanian Universitas Brawijaya
Email : [email protected]
1. PENDAHULUAN
- Pengantar
- Tujuan
- Definisi
2. KULTUR FED BATCH
3.
KULTUR KONTINYU
1. PENDAHULUAN
1.1 Pengantar
Sejak berkembangnya kultur batch dan
fed batch yang masih mengandung
kelemahan tidak tinggi produksinya dan
menghasilkan racun tinggi pada
mediumnya, sehingga dikembangkan
menjadi kultur kontinyu.
Terminologi kultur kontiyu mengacu pada sistem dengan
mengumpankan medium segar ke dalam kultur yang memiliki
volume tetap, sehingga kultur melebihi kebutuhannya untuk
mensintesa sel yang dibutuhkan. Pada bagian ini akan dibahas
mengenai jenis kultur tersebut.
1.2 Tujuan
Penguasaan materi dalam modul ini, yang dirancang sebagai
landasan dasar kinetika dan pertumbuhan mikroba akan dapat
 Mengetahui dan mengenal karakteristik dan aplikasi
pertumbuhan mikroba kultur fed batch, dan kontinyu
8
Minggu 8
SELF-PROPAGATING ENTREPRENEURIAL EDUCATION DEVELOPMENT
(SPEED)
Terminologi kultur batch mengacu pada
aplikasi kultur tertutup dengan nutrien
yang terbatas. Kultur batch sebagai
dasar kultur bakteri karena kultur batch
akan menentukan pengembangan kultur
selanjutnya. Hasil-hasil penelitian kultur
batch dapat ditingkatkan ke skala besar
dapat diaplikasikan ke dalam bioindustri.
MODUL
Bioindustri / Kultur Batch dan Kontinyu
Brawijaya University
2012
1.3 Definisi
•
Terminologi kultur batch mengacu pada aplikasi kultur tertutup dengan nutrien
yang terbatas. Merupakan kultur tertutup dimana medium segar berupa nutrien
dengan jumlah tertentu diinokulasi dengan bakteri yang telah diketahui
jumlahnya. Akhirnya nutrien habis dan terjadi akumulasi hasil akhir
•
Terminologi kultur kontiyu mengacu pada sistem dengan mengumpankan
medium segar ke dalam kultur yang memiliki volume tetap, sehingga kultur
melebihi kebutuhannya untuk mensintesa sel yang dibutuhkan.
2. KULTUR FED-BATCH
Kultur fed batch dijabarkan sebagai kultur batch dengan pemasukan pakan secara
kontinyu, atau secara teratur dengan medium tanpa mengubah cairan kultur. Jadi
volume kultur bertambah dengan bertambahnya waktu.
Pembentukan biomassa pada sistem ini disajikan pada persamaan di bawah ini:
Xt = Xo + Y (Sr-S)
Fase Hidup Kultur Fed Batch
Bakteri yang dimasukkan dalam medium baru umumnya tidak segera membelah diri,
tapi memerlukan waktu untuk menyesuaikan diri. Fase hidup bakteri dalam kultur
fed batch adalah sebagai berikut:
1. Fase Permulaan
2. Fase Pertumbuhan yang Dipercepat
3. Fase Pertumbuhan Logaritma
4. Fase Pertumbuhan yang mulai terhambat
5. Fase Stasioner yang maksimum
6. Fase Kematian Dipercepat
7. Fase Kematian Logaritma
2.1 Penggunaan Kultur Fed-Batch
Penggunaan fed-batch dalam industri fermentasi mampu membuat konsentrasi
substrat
menjadi
sangat
rendah.
Rendahnya
konsentrasi
substrat,
menguntungkan dalam:
1. Mengubah pengaruh penekanan langsung dari sumber karbon yang digunakan
dan membuat kondisi kultur dalam kapasitas aerasi fermentor
2. Menghindari pengaruh racun dari komponen medium
Persyaratan Kultur Batch
1. Kondisi kultur harus steril sehingga tercapai produksi biomassa yang
maksimum
2. Memperpendek fase lag dan memperpanjang fase logaritma, diaplikasikan
untuk produksi metabolit primer
3. Memperpendek fase eksponensial, digunakan untuk produksi metabolit
sekunder
Page 2 of 7
Bioindustri / Kultur Batch dan Kontinyu
Brawijaya University
2012
2.2 Penggunaan Fed-Batch dalam Fermentasi Aerob
Fermentasi penisilin merupakan salah satu contoh untuk produksi metabolit yang
menggunakan sistem ini. Fermentasi dapat dibagi dalam dua fase yaitu fase
pertumbuhan cepat yang mana kultur akan tumbuh pada mmaks, dan fase
pertumbuhan lambat atau fase produksi. Glukosa dapat digunakan sebagai
kontrol metabolisme mikrobia pada kedua fase tersebut. Selama fase
pertumbuhan cepat kelebihan glukosa menyebabkan akumulasi asam dan
biomass membutuhkan oksigen yang di luar fermentor. Apabila kekurangan
glukosa dapat menyebabkan nitrogen organik dalam medium digunakan sebagai
sumber karbon yang akan menghasilkan pH tinggi dan tidak sesuai untuk
pertumbuhan.
Pemberian glukosa harus diatur selama fase pertumbuhan cepat. Oksigen terlarut
dan pH harus diatur dalam batas-batas tertentu. Selama fase produksi, oksigen
terlarut harus cukup tersedia dalam medium. Laju pemberian medium dikontrol
dengan teliti. Dalam beberapa fermentasi, laju produksi penisilin yang tinggi
dapat terjadi ketika fermentor penuh.
Aplikasi Kultur Batch
1. Produksi Biomassa: kondisi kultur mendukung populasi maksimum
2. Produksi metabolit primer: misalnya aseton butanol, asam cuka, asam
sitratetanol, enzim dan vitamin
3. Produksi metabolit sekunder: memerlukan kondisi untuk mempercepat
tercapainya fase stasioner. Senyawa metabolit sekunder digunakan sebagai
nutrien darurat untuk mempertahankan hidupnya. Misalnya antibiotik,
biopestisida, mikotoksin, pigmen, alkaloid dan enzim
Contoh Bioindustri Berbasis Kultur Fed Batch
(1) Produksi Aseton Butanol
Bakteri yang berperan pada produksi aseton butanol adalah Clostridium
acetobutyricum dan Clostridium butyricum. Bahan dasar industri ini adalah
padi, tepung tapioka, arabinosa, dan xylosa. Sumber nitrogen yang
dibutuhkan meliputi protein, pepton dan asam amino. Kondisi fermentasi
meliputi suhu optimum 27˚C, anaerob, pH 4,7- 8, dan konsentrasi bahan
dasar 3-10%.
Produk akhir proses ini adalah 8 bagian butanol, 3 bagian aseton dan 1
bagian etanol. Apabila menggunakan arabinosa, perbandingan output dari
proses adalah butanol:aseton:etanol = 5:4:1
(2) Produksi Asam Cuka
Asam cuka disebut juga dengan frazier, yaitu bumbu yang dibuat dari bahan
yang mengandung pati atau gula dengan fermentasi alkohol yang diikuti
oksidasi asetat. Bangsa Perancis menyebut asam cuka dengan anggur asam
atau vinegar. Mikroba yang berperan dalam proses adalah khamir jenis
Saccharomyces cerevisaiae var ellipsoideus atau bakteri jenis Acetobacter
aceti dan Bacterium curvum.
Page 3 of 7
Bioindustri / Kultur Batch dan Kontinyu
Brawijaya University
2012
Bahan dasar yang digunakan dalam produksi asam cuka antara lain:
a. Sari buah : apel, anggur, jeruk
b. Sayur-sayuran : pati, kentang
c. Biji-bijianan, gandum : barley, gandum hitam, jagung, gandum
d. Minuman keras atau alkohol : bir, etil alkohol yang berubah sifat
3. KULTUR KONTINYU
Kultur kontinyu adalah kultur dengan nutrien medium diumpankan oleh sebuah
pompa ke dalam bejana kultur yang memiliki volume tetap. Medium dirancang
sedemikian rupa sehingga seluruh nutrien esensial yang dibutuhkan dapat disuplai
melebihi kebutuhannya untuk mensintesa sejumlah sel yang dibutuhkan.
3.1 Khemostat
Sebagai pengontrol ukuran populasi yang mantab pertumbuhan adalah nutrien
pembatas. Setiap nutrien yang dibutuhkan untuk tumbuh dapat digunakan
sebagai nutrien pembatas tumbuh, sehingga para peneliti dapat mengontrol
pertumbuhan fisiologik sel melalui manipulasi lingkungan pertumbuhannya.
Lingkungan fisik dan kimia yang mantab diberi istilah khemostat
3.2 Turbidostat
Kultur sinambung/kontinyu yang sederhana disebut. Pada kondisi ini konsentrasi
sel pada bejana kultur dipertahankan tetap dengan pemantauan kerapatan kultur
menggunakan cara pengukuran kerapatan optik. Bila kerapatan optik meningkat
maka pompa menjadi aktif kemudian segera memompa aktif medium yang baru
ke dalam bejana.
Volume dipertahankan tetap maka pengukur luapan dan isi bejana teraduk akan
terencerkan dengan sendirinya
3.3 Keseimbangan mantab (steady state)
Pertumbuhan dipercepat dalam kultur batch dapat diperpanjang dengan
menambahkan medium segar ke dalam fermentor. Medium yang disediakan spt
substrat dlm jumlah yang terbatas, tidak dibatasi oleh racun, pertumbuhan
dipercepat akan berlangsung selama penambahan substrat. Penambahan
medium harus diikuti dengan pengambilan hasil. Jika pembelian substrat secara
kontinyu maka harus dicapai kondisi mantab (steady state)
3.4 Kecepatan Pengenceran
Pada sistem kultur kontinyu, pengaliran keluar melalui sifon pembuang
mempertahankan volume kultur dalam tabung kultur pada nilai yang konstan
(misalnya V ml). Jika aliran medium baru dari reservoir ke dalam tabung kultur
adalah W ml/j, maka kecepatan pengenceran kultur di tabung kultur adalah W/V
per jamnya. Kecepatan pengenceran ini dinyatakan sebagai D (dilution rate).
Page 4 of 7
Bioindustri / Kultur Batch dan Kontinyu
Brawijaya University
2012
3.5 Populasi sel dalam tabung
 Populasi meningkat secara kontinyu sebagai hasil pertumbuhan sel
 Bersamaan dgn meningkatnya populasi, terjadi dua pengenceran kadar sel
sebagai akibat penambahan medium baru dan pelimpahan keluar melalui sifon
pembuang
 Kecepatan kedua proses berlawanan dapat dinyatakan secara matematik :
 Kecepatan pertumbuhan (instatneous growth rate) yang berlaku dX/dt = µX
 D berlaku dX/dt = - Dx
3.6 Penggunaan Kultur Kontinyu
 Untuk memelihara kultur aerobik
 Untuk menghindarkan kultur dari pengaruh substansi yang toksik di dalam
medium
Contoh Aplikasi Kultur Kontinyu
(1) Fermentasi beta galaktosidase kultur kontinyu
 β-galaktosidase
dapat
menghidrolisis
residu
menghidrolisis laktosa ke galaktosa dan glukosa
β-galaktosa
untuk
 Masalah utama pada laktosa adalah kesehatan, teknologi pangan dan
lingkungan
 Pemanfaatan Enzim digunakan untuk industri makanan dan farmasi
 Alternatif untuk pembuatan keju whey, salah satu aplikasi ß-galaktosidase
yang dihasilkan dari flocculent stabil S. cerevisiae strain memproduksi dan
mensekresi β-galaktosidase A. niger yang dapat digunakan dalam
bioreaktor kontinu.
ß-galaktosidase disekresikan ke dalam kultur medium dan sel-sel mudah
dipisahkan dari kultur broth (karena flocculence nya) langkah pemurnian
sangat disederhanakan. Selain itu, karena konsentrasi biomassa tinggi terjadi
di dalam bioreaktor, tinggi produktivitas ß-galaktosidase diperoleh untuk
sistem ini, memungkinkan untuk peningkatan signifikan dalam proses
fermentasi ß-galaktosidase
Bahan:
Sebuah S. cerevisiae rekombinan NCYC869-A3/pVK1.1 flocculent strain
mengekspresikan lacA (coding untuk-galaktosidase) gen A. niger bawah S.
cerevisiae ADH1 promotor dan terminator digunakan.
Media :
Rekombinan khamir dipertahankan suhu 4 oC pada agar miring atau di -80 oC
dalam kultur permanen YNB medium selektif memiliki komposisi sebagai
berikut: 6,7 g / l nitrogen ragi dasar (w/o asam amino), 20 g / l laktosa.
Khamir tumbuh pada media laktosa semi-sintetik (SS-lactose).
Page 5 of 7
Bioindustri / Kultur Batch dan Kontinyu
Brawijaya University
2012
Hasil :
• Aktivitas β-galaktosidase ekstraseluler ditentukan dengan mengukur
hilangnya p-nitrofenol dari p-nitrofenil- β-D-galactopyranoside (pNPG) .
•
Total mengurangi kadar gula ditentukan oleh dinitrosalisilat asam.
• Konsentrasi Biomassa diukur menggunakan metode absorbansi.
• Viabilitas sel diperkirakan dengan metode pewarnaan metilen biru dan
penghitungan sel langsung. Persentase sel mengekspresikan βgalaktosidase ditentukan pada YPD piring berisi X-gal sebagai indikator dari
aktivitas β-galaktosidase.
• Jumlah integrasi dan salinan pola kaset ekspresi β-galaktosidase dianalisis
oleh Southern Blot
Kesimpulan
 Untuk alasan ekonomi, penting untuk memaksimalkan produksi protein
dengan cara genetik atau proses pengembangan dengan menggunakan
mikroba. Hal ini dapat dicapai dengan meningkatkan jumlah protein per sel
per waktu atau dengan meningkatkan konsentrasi sel per waktu.
 Dalam jurnal ini, kelayakan flocculent menggunakan sistem kontinu highcell-density produksi protein ekstraseluler lebih tinggi telah terbukti, yang
mencapai peningkatan produktivitas ß-galaktosidase (Meningkat 4-11 kali
lipat) jika dibandingkan dengan kultur batch untuk konsentrasi substrat
yang sama.
 Untuk high-cell kontinyu kepadatan kultur, strain integrant lebih stabil
aktivitas β-galaktosidase yang lebih tinggi spesifik dari pada strain plasmid,
sehingga menyajikan keuntungan yang penting lebih dari sebelumnya.
REFERENSI
Kohler, G.A. 1996. Bioindustry. California Researh Bureau. Sacramento.
Mangunwidjaja, D. dan Suryani, A. 1994. Teknologi Bioproses. Penebar Swadaya
Petrides. D.P, Calandranis, N.J. and Conney, C.L. 2006. Dalam Brock, T.d et al, Manual
of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2 nd ed. ASM Press,
Washington, D.C.
PROPAGASI
A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal)
1. Secara teknis dan ekomonis, kultur jenis apakah yang paling layak untuk
diterapkan dalam bioindustri berbasis agro?
Page 6 of 7
Bioindustri / Kultur Batch dan Kontinyu
Brawijaya University
B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri)
1. Apakah yang dimaksud dengan kultur fed batch?
2. Apakah yang dimaksud dengan kultur kontinyu?
3. Sebutkan contoh produk yang dihasilkan dari kultur fed batch!
4. Sebutkan contoh produk yang dihasilkan dari kultur kontinyu!
5. Jelaskan perbedaan antara kultur fed batch atau kontinyu!
Page 7 of 7
2012