Fermentasi PST

TEKNOLOGI FERMENTASI DAN ENZIM
Universitas Mercu Buana Yogyakarata
BAB VIII
KINETIKA FERMENTASI.
Tipe - tipe fermentasi
1. Berdasarkan produk yang dihasilkan :
a. Biomassa
b. Enzim
c. Metabolit ( primer dan sekunder )
d. Hasil trasnformasi
2. Berdasarkan produk dan pertumbuhannya
a. Tipe Sinonim
Pembentukan produk dan pertumbuhan sel terjadi
bersamaan ( sinonim )
Contoh : fermentasi untuk PST
b. Tipe Associated
Pembentukan produk dan pertumbuhan sel berjalan seiiring
Contoh : fermentasi produksi alcohol, asam sitrat.
c. Tipe Non Associated
Pembentukan produk terjadi setelah pertumbuhan sel
selesai ( memasuki fase stasioner ) contoh : konversi
glukosa
asam 5 – keto glutomat
3. Berdasarkan cara pembentukan produk
a. Simultan
Dalam proses fermentasi dihasilkan lebih dari satu macam produk
contoh : Fermentasi PST, selain dihasilkan protein juga dihasilkan
lipid
b. Simple / sederhana
Proses fermentasi yang produksi sudah dapat di hitung secara
stoikhiometri
Contoh : proses fermentasi alcohol yang dapat di perhitung setiap
mol glukosa akan dihasilkan 2 mol etanol/alcohol
c. Stepwise
Terjadinya pembentukan produk harus melewati pembentukan
senyawa antara
Contoh : fermentasi glukosa menjadi asam keto glukonat oleh
acetobacter suboxidant harus melalui pembentukan asam
glutamate
d. Consecutive
Terjadinya pembentukan produk harus melewati level tertentu
dari senyawa antara yang dihasilkan
Contoh : fermentasi glukosa menjadi asam keto glukonat oleh
pseudomonas ovalis, harus melewati pembentukan glukanolakton
pada level tertentu
Pertumbuhan Sel Dan Pembentukan Produk
(ditijau dari reaksi kimia )
Pertumbuhan dapat dianggap sebagai suatu rangkaian reaksi
kimia untuk membentuk massa sel.
Secara stoikhiometri diketahui ratio massa sel terhadap
massa substrat yang dikonsumsi sebesar M/A
disebut
Yield Sel
Besarnya ratio M/A tergantung :
Efisiensi
penggunaan
sumber
karbon
untuk
pembentukan sel dan pembakaran menjadi CO2 dan H2O untuk
memperoleh energi
Reaksi lain yang dapat di gunakn untuk menggambarkan partumbuhan
sel dan pembentukan produk :
Hubungan antara sel dengan substrat karbon dan oksigen
digambarkan oleh mateles dalam persamaan :
Hubungan antara kecepatan pembentukan produk dan
kecepatan pertumbuhan
Dalam pertumbuhan dengan tipe Associated,
produkyang terbentuk sebanding dengan massa sel yang
terbentuk. Hubungan antara kecepatan pembentukan produk
(dp/dt )dengan kecepatan pertumbuhan ( µ ) digambarkan dalam
persamaan :
dp/dt = qp . X
dengan qp = Y (p/x) .µ
persamaan tersebut hanya berlaku untuk pertumbuhan
Associated
pada tipe non Associated, pembentukan produk di kelompokkan 2 tipe, yaitu
a. Qp bukan merupakan fungsi dari µ
Sehingga merupakan masalah yang rumit untuk memperoleh
persamaannya
Contoh : produksi penicillin oleh penicilium sp pada saat µ = 0,012 jam -1
b. Qp merupakan fungsi µ kompleks
Contoh :
1. Produksi melanin oleh Aspergilus Niger
2. Produksi cyclodextrin dari pati oleh Bacilus macerans
Persamaan : qp = qp maks – K . µ
3. Produksi asam laktat dari gula oleh lactobacillus sp
Persamaan : qp = α µ + ᵦ dengan α dan ᵦ suatu konstanta
System Kultivasi
System kultivasi pada proses fermentasi dapat dilakukan secara :
1. System bacth
Tidak ada penambahan substrat sehingga konsentrasi substrat akan turun
Konsentrasi produk naik sampai batas tertentu setelah itu tetap
Kecepatan pertumbuhan cenderung turun mengarah ke nol sejalan dengan
penurunan kadar substrat
2. System Fed Bacth
Ada penambahan substrat jika substrat hamper habis sehingga
konsentrasi produk akan naik kecepatan pertumbuhan akan turun,
tetapi dapat naik lagi sejalan dengan masuknya substrat baru.
3. System kontinyu
Ada pergantian substrat sehingga jumlah substrat
relative tetap dan konsentrasi produk juga tetap konstan
tinggi, kecepatan pertumbuhan juga konstan tinggi
Sistem batch
Kelemahan : kecepatan pertumbuhan dan produksinya mengarah ke
nol, karena nutrient habis terkonsumsi atau terbentuknya produk
bersifat toksik bagi massa sel
Persamaan umum untuk pembentukan produk pada system batch :
dp/dt = qp .X dengan p = konsentrasi produk
qp = kecepatan pembentukan produk spesifik
x = konsentrasi sel
dalam pertumbuhan associated, produk terbentuk sebanding dengan
massa sel yang terbentuk.
dp/dt = qp .X
bila qp konstan, maka
ʃ dp = qp ʃ x dt
p1 – po = qp ( xt1 – xto )
p1 = po + qp ( xt1 – xto )
harga integral dari persamaan tersebut dapat dihitung secara grafis sbb :
Sistem Kontinyu
Diharapkan kecepatan pertumbuhan dan pembentukan produk
terus meningkat dengan berjalannya waktu inkubasi
Caranya :
Dengan memasukan medium dari luar ( substrat pembatas
pertumbuhan ) pada saat fase pertumbuhan mencapai fase logaritmik.
Apabila penambahan substrat di ikuti dengan pengeluaran produk +
sel, dimungkinkan pertumbuhan sel dalam waktu lama sehingga
tercapai kondisi steady state
Stedy state :
Kecepatan konversi substrat menjadi produk dan massa sel
seimbang dengan kecepatan outputnya, sehingga konsentrasi sel,
kecepatan pertumbuhan spesifik dan lingkungan kultur tidak berubah
dengan waktu perjalanan inkubasi
Ada 2 macam system kontinyu :
1. Plug Flow Culture
Input system adalah campuran inoculum dan medium yang dialirkan dengan
kecepatan konstan melalui fermentor berbentuk tabung ( tidak dilengkapi
pengaduk, pengadukan terjadi dengan adanya sirip-sirip pada sisitabung
fermentor ).
Pada system ini tidak dilakukan control terhadap lingkungan kultur
Perubahan yang terjadi pada system ini adalah sama dengan
fase-fase yang terjadi pada system batch, tetapi fungsi waktu diganti
dengan fungsi ruang
System plug flow culture banyak digunakan dalam penanganan limbah
Activated Sludge Proces
Kelemahan system plug flow culture :
a. Pengaturan kecepatan aliran sulit dilakukan
b. Aliran lambat pada dinding fermentor menyebabkan penempelan
biomassa pada dinding sel
c. Pada kondisi oprasional aseptis dengan waktu lama sulit dilakukan
d. Aerasi sulit dilakukan (bila mikrobia yang digunakan aerob)
2. Chemostat culture
Untuk memelihara pertumbuhan sel dalam waktu lama
dilakukan penambahan medium secara continyu kedalam fermentor
dan dilakukan pengeluaran produk dari fermentor secara kontinyu pula
pada keceaptan aliran yang sama dan konstan sehingga volume kultur
didalam fermentor tetap konstan.
Dalam keadaan ideal :
Pencampuran medium yang yang dimasukkan dengan kultur
didalam fermentor terjadi sempurna
setiap tetes medium
masuk kedalam fermentor harus segera terdispersi secara merata
dalam kultur,
prakteknya dikerjakan dengan pengadukan
Pada awalnya sel mikroba ditumbuhkan dalam fermentor secara batch
sampai dicapai pertumbuhan mendekatii fase logaritmik
Kemudian medium segera dialirkan masuk yang diikuti dengan
pengeluaran kultur
Kodisi ini memberikan 3 kemungkinan :
1. Bila kecepatan pengeluaran sel dari dalam fermentor (X2) >
kecepatan pertumbuhan sel dalam fermentor (X1)
Maka konsentrasi sel dalam fermentor (x1) akan turun,
sehingga konsentrasi substrat (S1) akan naik dan pada suatu saat S1 =
S2
2. Bila kecepatan awal pengeluaran sel dalam fermentor ( X2) =
kecepatan pertumbuhan sel dalam fermentor ( X1 ), maka
Akan dicapai kondisi steady state, artinya konsentrasi sel ( X1)
dan konsentrasi substrat ( S1 ) tetap dalam keadaan ini kecepatan
pertumbuhan spesifik akan maksimum.
Kondisi ideal ini sulit terjadi karena selalu terjadi fluktuasi S1 dan X1
3. Bila kecepatan awal pengeluaran sel dalam fermentor (X2 )< kecepatan
pertumbuhan sele dalam fermentor (X1), maka
Konsentrasi sel dalam fermentpr (X1) akan naik, keadaan ini akan
menurunkan konsentrasi substrat (S1) yang akan berpengaruh menurunkan
kecepatan pertumbuhan spesidik sehingga perlahan-lahan konsentrasi sel (X1)
akan turun pada akhirnya akan sama dengan kecepatan pengeluaran sel dari
fermentor sehingga akan di capai keadaan steady state.
Dalam system kontinyu, hubungan antara flow medium ke dalam fermentor
dengan volume fermentor dinyatakan dengan Dilution Rate (D)
Dengan :
F = Flow rate
V = Volume
D = Dilution Rate dengan satuan jam -1
Spesifik Growth Rate
(dalam fermentasi kontinyu)
Perhitungan yang dilakukan biasanya ditunjukan untuk menduga
kecepatan pertumbuhan, konsentrasi, biomassa dan substrat pada
kondisi tertentu.
Digunakan neraca bahan :
Kenaikan jumlah biomassa = input – output + growth
Kondisi fermentasi :
Volume fermentor V ( liter ), feed masuk fermentor dengan
konsentrasi sel Xo (g/liter) padakecepatan konstan F ( liter/jam),
konsentrasi sel dalam fermentor X1 (g/liter) dan X2 konsentrasi sel
effluent dengan kecepatan pengeluaran F (liter/jam)
Maka berlaku neraca bahan :
(dx/dt) over all = F/V Xo – F/V X2 + (dx/dt) growth
(dx/dt) growth tergantung spesific growth rate ( µ ) yang dinyatakan
dengan (dx/dt) growth = µ .x
Pada keadaan steady state, kecepatan perubahan konsentrasi
biomassa dx/dt = 0
untuk
chemostat
satu
tingkat
konsentrasi biomassa dalam feed adalah nol ( xo = 0 ) dan x2 = x1
sehingga pada neraca bahan berlaku :
0 = 0 – F/V x2 + µ x 1
µ x 1 = F/V x 1
µ = F/V
Bila F/v = D maka
µ=D
Hal ini berarti : Spesific Growth rate pada sistem kontinyu dapat di
kontrol atau dikendalikan dengan kondisi operasi
Hubungan antara substrat pembatas pertumbuhan
dengan konsentrasi biomassa
Neraca bahan untuk substrat pembatas
pertumbuhan :
Perubahan jumlah substrat = Input – output –
substart untuk pertumbuhan pada suatu interval
waktu tertentu berlaku :
V ds = F So dt – F S2 dt – V µ x1 dt/ Y
Dengan Y = growth rate, sehingga berlaku :
ds/dt = F/V So – F/V S2 - µ x1/Y
pada keadaan steady state, berlaku dx/dt = 0 dan ds/dt = 0 sehingga
persamaan dapat di tulis :