Bioindustri modul 11 - Universitas Brawijaya

BIOINDUSTRI:
PEMURNIAN PRODUK FERMENTASI
Nimas Mayang Sabrina S, STP, MP
Lab. Bioindustri, Jur Teknologi Industri Pertanian Universitas Brawijaya
Email : [email protected]
1. PENDAHULUAN
- Pengantar
- Tujuan
- Definisi
2. MACAM METODE PEMURNIAN
PRODUK FERMENTASI
1. PENDAHULUAN
Dalam proses bioindustri, dikenal
dua macam tahapan yaitu proses
up-stream dan downstream. Proses
up-stream adalah proses di mana
terjadi transformasi dari bahan
baku menjadi bahan jadi dalam
bentuk yang belum murni.
Banyak proses-proses biologi
membutuhkan pemurnian untuk
mengurangi larutan fermentasi dalam produk akhir. Sebagai
contoh, asam sitrat dibuat dalam fermentor produksi yang
bercampur dengan medium. Oleh karena itu diperlukan tahapan
berikutnya yaitu tahapan pemurnian atau purifikasi. Tahapan
inilah yang dimaksud dengan proses down-stream. Ada banyak
tipe pemurnian sebagai contoh adalah proses ekstraksi, filtrasi,
dan koagulasi. Dalam kuliah ini akan dipelajari berbagai teknik
pemurnian produk fermentasi.
1.2 Tujuan
Penguasaan materi dalam modul ini, yang dirancang sebagai
landasan dasar Bioindustri, akan dapat
Mengetahui dan mengenal metode pemurnian produk fermentasi
11
Minggu 11
SELF-PROPAGATING ENTREPRENEURIAL EDUCATION DEVELOPMENT
(SPEED)
1.1 Pengantar
MODUL
Bioindustri / Pemurnian Produk Fermentasi
Brawijaya University
2012
1.3 Definisi
Proses pemurnian produk fermentasi adalah proses di mana hasil fermentasi dipisahkan
dengan mediumnya sehingga menghasilkan produk murni hasil fermentasi yang
kemudian dapat digunakan. Proses ini dikenal pula dengan proses down-stream dalam
tahapan fermentasi.
Contoh : Sebagai contoh, asam sitrat dibuat dalam fermentor produksi yang bercampur
dengan medium
2. MACAM METODE PEMURNIAN PRODUK FERMENTASI
Secara umum, metode pemurnian produk fermentasi terdiri dari empat tahapan utama
yaitu penghilangan kotoran, ekstraksi, konsentrasi dan purifikasi. Secara sistematis,
tahapan tersebut dapat dilihat pada gambar berikut:
Kultur
Fermentasi
Penghilangan
kotoran yang
tidak dapat
terlarut
Sel dan
pengotor
lain
fraksi
terlarut
Ekstraksi
produk
cair
Pengotor
Konsentrasi
produk
berbentuk
konsentrat
Purifikasi
Produk Murni
Terdapat berbagai metode purifikasi antara lain adalah:
1. Secara Gravitasional
Terdiri dari dua metode yaitu sentrifugasi dan flokulasi.
2. Secara Mekanis
Metode secara mekanis dicontohkan dengan filtrasi dan dialisis.
3. Penggunaan sifat permukaan
Metode ini terdiri dari adsorpsi, ion-exchange, dan flotasi.
4. Secara Elektrik
Metode secara elektrik ini menggunakan elektrofresis, elektrodialisis dan elektroosmosis.
Page 2 of 8
Bioindustri / Pemurnian Produk Fermentasi
Brawijaya University
2012
Beberapa teknik pemurnian produk fermentasi antara lain:
Sentrifugasi
•
Sentrifugasi meliputi pemisahan cairan dan partikel berdasar densitas.
•
Sentrifugasi dapat digunakan untuk pemisahan sel dari cairan kultur, sel pecah
dari cairan, dan kelompok endapan
•
Ada sejumlah tipe sentrifus, beberapa diantaranya:
Tubular Bowl Centrifuge
•
Paling umum digunakan untuk pemisahan padat-cair, isolasi enzim.
•
Dapat dicapai pemisahan yang baik untuk sel mikrobia dalam larutan.
Disc Bowl Centrifuge
•
Secara luas digunakan untuk memisahkan sel.
•
Dapat untuk memisahkan sel mikrobia yang dipecah dan endapan protein
Perforate Bowl Basket Centrifuge
•
Pengecualian pada pemisahan adsorpbent, seperti selulosa dan agarosa.
Zonal Ultracentrifuge
•
Digunakan dalam industri vaksin karena dapat secara mudah memisahkan sel
yang dipecah dari virus.
•
Dapat untukmengendapkan protein dengan baik.
•
Secara eksperimental digunakan untuk pemurnian RNA polymerase dan berbagai
enzim.
Page 3 of 8
Bioindustri / Pemurnian Produk Fermentasi
Brawijaya University
2012
Koagulasi dan Flokulasi
•
Koagulasi ditetapkan untuk proses-proses biologikal jika partikel kecil secara
langsung melekat satu dengan lainnya.
•
Flokulasi adalah agensia yang bekerja untuk menggabungkan partikel
•
Teknik koagulasi dan flokulasi biasanya digunakan untuk sel utuh, sel pecah atau
protein terlarut.
Sel Utuh
•
Banyak agensia flokulasi digunakan untuk pemisahan produk,
seperti : polielektrolit anionik dan kationik, alumina, dan polimer
sintetik.
•
Sedikit informasi yang dikethui tentang koagula, tetapi beberapa
koagulan anorganik aluminium, garam besidan garamkalsium telah
banyak dipelajari
Sel hancur dan protein
•
Koagulasi dan flokulasi banyak digunakan dengan dilakukan agitasi
•
Koagulasi dan flokulasi dapat digunakan sebagai alternatif metode
presipitasi pada pemisahan enzim
•
Agensia yang digunakan untuk sel utuh adalah sama dengan untuk
sel hancurmaupun protein
Resin penukar ion
Page 4 of 8
Bioindustri / Pemurnian Produk Fermentasi
Brawijaya University
2012
Filtrasi
•
Filter menggunakan kain saring atau beberapa bahan porusdengan menggunakan
tekananuntuk mendorong partikel melewati filter
•
Elemen-elemen dipisahkan berdasarkan ukuran.
•
Filtrasi untuk meterial biologi umumnya menggunakan batch filtration, rotary
drum filtration, atau ultrafiltration methods.
Batch Filtration
•
Biasanya dengan tekanan konstan dari pompa mendorong cairan
melewati filter
•
Filter cake akan terbentuk sebagai akibat proses filtrasi dan
menahan laju filtrasi
•
Filter press adalah yang umum digunakan dalam industri
•
Dapat digunakan untuk memisahkan sel tetapi tidakdapat bekerja
dengan baik untuk sel hewan dan tumbuhan
Rotary Drum Filtration
•
Solution is vacuumed upward where it crosses a filter septum
removed by a positive displacement pump
•
Filter cake is removed after each rotation to give a fresh surface for
filtration
•
Rotary vacuum filters can be used to efficiently remove mycelia,
cells, proteins, and enzymes, though a filter aid or precoat of the
septum may be necessary
•
Utilizes a membrane to separate particles that are much larger than
the solvent used
•
Successful removal occurs in the partical size range of 10 solvent
molecular diameters to 0.5 μ
Ultrafiltration
Presipitasi
•
Presipitasi adalah prosedur penambahan larutan ionik untuk membuat larutan
fermentasi menjadi bentuk partikel yang tidak larut.
•
Presipitasi biasanya untuk memisahkan enzim atau protein
•
Cara yang sederhana biasanya dengan mengubah pH dan suhu
•
Presipitasi dapat dilakukan secara batch atau kontinyu.
Page 5 of 8
Bioindustri / Pemurnian Produk Fermentasi
Brawijaya University
2012
Variasi suhu dan pH
• Umumnya kebanyakan protein dan enzim meningkat kelarutannya dengan
meningkatnya suhu
• Dengan mengatur pH, polaritas enzim dapat diturunkan sehingga tidak
bermuatan, poliratas yang paling rendah menjadikan enzim sedikit larut dan
cairan.
Presipitasi oleh Solven Organik
• Dengan penambahan solven organik ke cairan fermentasi, konstanta dielektrik
akan turun menyebabkan kelaturan berkurang.
• Sering digunakan secara industri karena murah dan sederhana
Presipitasi oleh Ion Logam
• Garam metal dengan solubilitas lebih rendah dapat dibentuk oleh enzim dan
protein.
• Garam Mangan dapat digunakan untuk pengendapan asam nukleat.
Pemurnian Asam sitrat
Metode yang digunakan dalam pemurnian asam sitrat dari cairan fermentasi terdiri dari
dua teknik yaitu presipitasi dan filtrasi.
•
Cairan asam sitrat dari fermentor produksi sangat terkontaminasi oleh biomass,
garam, sukrosa, dan air.
•
Pertama, asam sitrat harus direaksikan dengan kalsium karbonat
menatralisasi larutan dan membentuk presipitat tidak larut kalsium sitrat
•
Kalsium sitrat mengandung asam sitrat 74%.
•
Reaksi Kimianya adalah:
untuk
CaCO3 + Citric Acid → CO2+ Calcium Citrate
•
Kalsium sitrat kemudian dicuci, dipanaskan dan disaring untuk menghilangkan
kontaminan
•
Tergantung rancangan skema pemurnian, filter dapat ditempatkan sebelum
reaksi pertama dengan kalsium karbonat.
•
Secara sederhana filter dapat memisahkan sebagian besar kontaminan
tergantunng ukurannya dilanjutkan untuk kontaminan yang lebih kecil pada filter
berikutnya
•
Kalsium sitrat kemudian ditambah asam sulfat.
•
Suhu reaksi ini di bawah 60ºC.
•
Reaksi akan menghasilkan asam sitrat bebas dan presipitat baru kalsiumsulfat,
yang akan dibutuhkan nantinya.
Page 6 of 8
Bioindustri / Pemurnian Produk Fermentasi
Brawijaya University
2012
•
Dalam filter ini,kalsium sulfat dicuci dari asam sitrat dan meninggalkan biomass
•
Kontaminan dapat dipisahkandengan filter yang lebih baik seperti mikrofiltrasi
dan ultrafiltrasi
Pemurnian lanjut
Pemurnian lanjut:
•
Asam sitrat dapat dihasilkan dalam dua bentuk: - monohidrat dan anhidrat
•
Bentuk-bentuk ini membutuhkan tambahan tahap pemurnian untuk mencapai
kemurnian yang diinginkan
1. Monohydrate
• Mengandung satu molekul air unt tiap asam sitrat
• Membutuhkan kristalisasi berulang sampai kandungan air sekitar 7.5-8.8%
2. Anhydrous
• Memisahkan semua air dari produk akhir
• Dibuat dengan dehidrasi produk asam sitrat monohidrat pada suhu di atas
36.6ºC
REFERENSI
Suharto, Ign. 1995. Bioteknologi dalam Dunia Industri. Andi offset, Yogyakarta.
PROPAGASI
A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal)
1. Dari beberapa teknik pemurnian hasil fermentasi, teknik manakah yang dapat
digunakan untuk produk:
a. Enzim
b. Monosodium glutamat
c. Bioethanol
Page 7 of 8
Bioindustri / Pemurnian Produk Fermentasi
B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri)
1. Apakah yang dimaksud dengan sentrifugasi?
2. Mengapa produk fermentasi harus dimurnikan?
3. Bagaimana cara penggunaan metode presipitasi?
4. Apakah yang dimaksud dengan proses downstram?
5. Apa sajakah macam metode sentrifugasi?
Page 8 of 8
Brawijaya University
2012