Biokim Isi

28
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pertumbuhan mikroba dapat dibedakan antara pertumbuhan masing-masing individu sel dan pertumbuhan kelompok sel atau pertumbuhan populasi. Pertumbuhan tersebut dapat diukur secara langsung maupun tidak langsung. Pengukuran langsung akan diperoleh jumlah keseluruhan mikroba, baik yang hidup maupun yang mati. Sedangkan pengukuran tidak langsung hanya menghitung mikroba yang hidup. Pengukuran langsung dilakukan secara mikroskopis yaitu dengan menghitung jumlah bakteri dalam satuan isi yang sangat kecil. Alat yang digunakan adalah Haemocytometer. Pengukuran tidak langsung dilakukan dengan metode plate count atau dengan pengukuran turbiditas dengan spektrofotometer. Kinetika pertumbuhan populasi mikroba dapat dilihat berdasarkan sistem biakannya yaitu sistem tertutup (batch culture) dan sistem terbuka (continous culture). Pada biakan sistem tertutup, pengamatan pertumbuhan populasi mikroba dalam waktu yang cukup lama memberikan gambaran melalui kurva pertumbuhan, terdapat fase-fase pertumbuhan. Pertumbuhan sel bakteri biasanya mengikuti suatu pola pertumbuhan tertentu berupa kurva pertumbuhan sigmoid. Fase pertumbuhan dimulai dengan fase log, eksponensial, statsioner dan kematian. Sistem biakan terbuka digunakan untuk mempertahankan sel pada fase pertumbuhan eksponensial. Sistem biakan terbuka mempunyai ciri berupa ukuran populasi dan kecepatan pertumbuhan dapat diatur pada nilai konstan dengan khemostat. Alat ini digunakan dengan mengatur kecepatan aliran medium dan kadar susbtrat. Pertumbuhan mikroba/sel tidak lepas dari pengaruh faktor- faktor lingkungan. Perubahan lingkungan dapat mengakibatkan perubahan sifat morfologi dan fisiologi sel. Beberapa kelompok mikroba/sel sangat resisten terhadap perubahan faktor lingkungan.

Transcript of Biokim Isi

Page 1: Biokim Isi

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangPertumbuhan mikroba dapat dibedakan antara pertumbuhan masing-masing individu sel

dan pertumbuhan kelompok sel atau pertumbuhan populasi. Pertumbuhan tersebut dapat diukur secara langsung maupun tidak langsung. Pengukuran langsung akan diperoleh jumlah keseluruhan mikroba, baik yang hidup maupun yang mati. Sedangkan pengukuran tidak langsung hanya menghitung mikroba yang hidup. Pengukuran langsung dilakukan secara mikroskopis yaitu dengan menghitung jumlah bakteri dalam satuan isi yang sangat kecil. Alat yang digunakan adalah Haemocytometer. Pengukuran tidak langsung dilakukan dengan metode plate count atau dengan pengukuran turbiditas dengan spektrofotometer. Kinetika pertumbuhan populasi mikroba dapat dilihat berdasarkan sistem biakannya yaitu sistem tertutup (batch culture) dan sistem terbuka (continous culture).

Pada biakan sistem tertutup, pengamatan pertumbuhan populasi mikroba dalam waktu yang cukup lama memberikan gambaran melalui kurva pertumbuhan, terdapat fase-fase pertumbuhan. Pertumbuhan sel bakteri biasanya mengikuti suatu pola pertumbuhan tertentu berupa kurva pertumbuhan sigmoid. Fase pertumbuhan dimulai dengan fase log, eksponensial, statsioner dan kematian. Sistem biakan terbuka digunakan untuk mempertahankan sel pada fase pertumbuhan eksponensial. Sistem biakan terbuka mempunyai ciri berupa ukuran populasi dan kecepatan pertumbuhan dapat diatur pada nilai konstan dengan khemostat. Alat ini digunakan dengan mengatur kecepatan aliran medium dan kadar susbtrat.

Pertumbuhan mikroba/sel tidak lepas dari pengaruh faktor-faktor lingkungan. Perubahan lingkungan dapat mengakibatkan perubahan sifat morfologi dan fisiologi sel. Beberapa kelompok mikroba/sel sangat resisten terhadap perubahan faktor lingkungan. Sel tersebut dapat dengan cepat menyesuaikan diri dengan kondisi baru tersebut. Faktor lingkungan meliputi faktor-faktor abiotik (fisika dan kimia), dan faktor biotik. Oleh karena itu bahasan mengenai kinetika pertumbuhan serta faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pertumbuhan perlu dikaji lebih lanjut.

1.2 Tujuan penulisanTujuan penulisan makalah ini adalah sebagai berikut :

1. Mampu menjelaskan pengertian reaksi kimia reversible dan irreversible serta ruang lingkup termodinamika reaksi.

2. Mampu menghitung laju reaksi dengan suatu data konsentrasi3. Mampu menjelaskan kinetik reaksi umum untuk sistem biologi4. Mampu menentukan parameter kinetik enzimatik5. Mampu menjelaskan yield dari suatu kultur sel 6. Mampu menjelaskan kinetik pertumbuhan sel

Page 2: Biokim Isi

1.3 Perumusan MasalahDalam makalah ini terdapat beberapa rumusan masalah yang selanjutnya akan kami jawab

dalam pembahasan. Rumusan-rumusan masalah dalam makalah ini adalah:1. Bagaimana perbedaan antara reaksi reversible dan ireversibel, serta keterbatasan lingkup

termodinamika dalam sistem sel dan reaksi enzim?2. Bagamana cara menghitung laju reaksi dari suatu data konsentrasi menggunakan

diferensiasi grafis? 3. Bagaimana hubungan kinetic untuk reaksi berorde nol, satu, dan Michaelis Menten?4. Bagaimana menentukan parameter kinetika enzimatik (Vmax dan Km) dari suatu data

konsentrasi?5. Bagaimana pengaruh suhu terhadap laju reaksi enzimatik?6. Bagaimana menghitung yield suatu kultur sel dan peran pentingnya sebagai parameter

kinetik reaksi?7. Bagaimana hubungan dasar kinetika pertumbuhan sel dan bagaimana mengevaluasi

pertumbuhan, serapan substrat dan laju produksi biomassa dalam proses kultivasi sel?

1.4 Metode PenulisanMetode penulisan yang kami gunakan adalah pengumpulan data dan studi pustaka. Teori,

data-data, dan studi kasus yang berkaitan dengan permasalahan yang dikumpulkan dari berbagai sumber, yaitu buku-buku acuan, paper atau karya tulis,dan situs-situs internet.Sistematika Penulisan

Makalah ini terdiri dari tiga bab. Bab satu berisi pendahuluan, yaitu latar belakang, tujuan penulisan, rumusan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. Bab dua berisi jawaban pertanyaan pemicu yang berhubungan dengan isu-isu pembelajaran. Bab tiga berisi kesimpulan

BAB IIJAWABAN PERTANYAAN

Page 3: Biokim Isi

1. Bagaimana anda menjelaskan perbedaan antara reaksi reversible dan irreversible, dan keterbatasan lingkup termodinamika dalam sistem sel dan enzim reaksi?

Jawab:

Ketika sistem mengalami perubahan dari kondisi awal hingga kondisi akhir, sistem tersebut telah mengalami proses. Selama proses termodinamika, satu atau lebih variabel sistem seperti temperatur,tekanan,volume,entalpi atau kalor, entropi, dan lain-lain, itulah yang mengalami perubahan. Hukum termodinamika yang kedua mengklasifikasikan proses menjadi dua kategori, yaitu proses reversible dan irreversible.

Ada dua jenis proses termodinamika, yakni reaksi reversible dan irreversible. Proses reversible adalah proses ideal yang jarang terjadi, sedangkan proses irreversible adalah proses alami yang biasanya ditemukan secara alami.

1. Proses ReversibleProses reversible adalah proses di mana sistem dan lingkungan dapat dikembalikan ke

keadaan awal dari keadaan akhir tanpa menghasilkan perubahan variabel dari termodinamika. Lihat gambar di bawah ini, sistem mengalami perubahan dari A ke B. Jika sistem bisa dibalik dari B ke A, dan pada reaksi itu tidak terjadi perubahan, maka proses tersebut dinamakan proses reversible (bolak balik). Proses reversible dapat dibalikkan sepenuhnya dan tidak sisa reaktan yang menunjukkan bahwa sistem telah mengalami perubahan termodinamika.

Gambar 1. Keadaan Proses Reaksi Reversible.(Sumber : Engineering Thermodynamics by P K Nag)

Sistem yang mengalami proses reversible terjadi reaksi yang sangat lambat karena gradien yang sangat kecil. Selama proses reversible semua perubahan yang terjadi dalam sistem berada dalam kesetimbangan termodinamika satu sama lain.

Page 4: Biokim Isi

Jadi, ada dua kondisi penting yang terjadi pada proses reversible. Yang pertama, proses harus terjadi sangat lambat. Yang kedua, semua keadaan awal dan keadaan akhir sistem harus seimbang satu sama lainnya. Jika kandungan kalor sistem kedaannya tetap maka proses ini disebut proses adiabatik. Lalu, jika entropi sistem tetap maka proses ini disebut isentropi.Proses kejadian reversibel juga disebut reversibilitas. Dalam prakteknya proses reversible pernah terjadi, sehingga hal tersebut merupakan proses yang ideal atau hipotetis.

2. Proses IrreversibleProses irreversible merupakan proses yang alami karena semua proses terjadi secara searah

yang alami. Proses natural terjadi karena gradien yang cukup besar antara reaktan dan produk. Aliran kalor antara dua bagian terjadi karena gradien suhu antara bagian tersebut. Hal inilah yang dinamakan dengan aliran panas yang alami. Sama seperti air, air mengalir dari posisi tinggi ke posisi rendah, dan angin bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Berikut adalah poin-poin penting mengenai proses irreversible :

1. Pada proses irreversible, keadaan awal sistem dan lingkungan tidak dapat dibalik menjadi keadaan akhir.

2. Selama proses irreversible, keadaan awal menjadi keadaan akhir tidak mengalami keseimbangan satu sama lainnya.

3. Selama proses irreversible, sistem entropi bertambah,tidak berkurang dan kembali ke keadaan awal.

4. Keadaan sistem selama proses irreversible disebut irreversibilitas.

Lingkup Termodinamika

Energi Gibbs (ΔG◦)Energi Gibbs adalah perubahan energi bebas standar (1 atm,250C) per mol dari suatu reaktan

atau produk. Tetapan kesetimbangan dapat ditentukan dengan mengukur konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi pada keadaan setimbang, atau dengan menghitung ΔG◦ reaksinya. Untuk memperoleh harga K yang tidak dapat ditentukan secara eksperimen, maka dapat dilakukan secara termodinamika dengan melihat harga ΔG◦ reaksinya. Bila harga ΔG◦ untuk reaksi kesetimbangan adalah negatif, maka hasil reaksi yang terbentuk berjumlah relatif besar sedangkan pereaksi yang tersisa berjumlah relatif kecil. Dengan demikian harga K relatif besar. Sebaliknya jika harga ΔG◦ reaksi kesetimbangan adalah positif maka harga K relatif kecil.

Secara termodinamika ditunjukkan bahwa:

Δ G = Δ G◦ +RT ln K

Syarat untuk reaksi kesetimbangan adalah ΔG = 0, jadi:

Δ G◦ = -RT ln K

Δ G ◦=-RT ln Kp (Bagi kesetimbangan gas-gas)

Page 5: Biokim Isi

Δ G ◦=-RT ln Kc (Bagi kesetimbangan larutan)

EntalpiEntalpi (H) adalah jumlah energi yang dimiliki sistem pada tekanan tetap. Entalpi dinyatakan

dalam bentuk energi per massa. Energi mempunyai satuan Joule (J) dan massa mempunyai satuan kilogram (kg). Dengan demikian, satuan entalpi adalah  J/kg. Satuan entalpi yang lain adalah erg/gram; BTU/lbm; kal/gram; dsb.

Konversi satuan entalpi adalah sebagai berikut:1 kal/gram = 4184 J/kg.1 BTU/lbm = 2326 J/kg.Entalpi (H) dirumuskan sebagai jumlah energi yang terkandung dalam sistem (E) dan kerja (W). H = E + W

dengan:W = P × VE = energi (joule)W = kerja sistem (joule)V = volume (liter)P = tekanan (atm)

Hukum kekekalan energi menjelaskan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari bentuk energi yang  satu menjadi bentuk energi yang lain. Nilai energi suatu materi tidak dapat diukur, yang dapat diukur hanyalah perubahan energi (ΔE). Demikian juga halnya dengan entalpi, entalpi tidak dapat diukur, kita hanya dapat mengukur perubahan entalpi (ΔH).

ΔH = Hp – Hr

dengan:ΔH = perubahan entalpi

Hp = entalpi produk

Hr = entalpi reaktan atau pereaksi

a. Bila H produk > H reaktan, maka ΔH bertanda positif, berarti terjadi penyerapan kalor dari lingkungan ke sistem.

b. Bila H reaktan > H produk, maka ΔH bertanda negatif, berarti terjadi pelepasan kalor dari sistem ke lingkungan.

Page 6: Biokim Isi

Gambar 2. Keadaan Sistem dalam menyerap dan menerima kalor.(Sumber : Engineering Thermodynamics by P K Nag)

2. Bagaimana anda menghitung laju reaksi dari suatu data konsentrasi menggunakan diferensiasi grafis? Berikan contohnya.

Jawab:

Laju reaksi adalah banyaknya jumlah reaktan yang bereaksi atau banyaknya jumlah prosuk yang terbentuk dalam satuan waktu (mol per sekon). Laju reaksi dapat dirumuskan sebagai berikut:

reaktan atau jumlah produkwaktu

satuannya adalah g/s, mol/s atau M/s.Laju reaksi merupakan fungsi dari konsentrasi. Berdasarkan interval waktu yang berlangsung, laju reaksi meliputi:

1. Laju rata-rataLaju rata-rata merupakan laju reaksi yang dihitung berdasarkan waktu total yang digunakan untuk bereaksi. Kita dapat menghitung laju rata-rata reaksi dengan cara membagi perubahan konsentrasi dengan waktu total yang dibutuhkan dalam bereaksi. Hal ini dapat dirumuskan:

2. Laju sesaatLaju sesaat merupakan laju reaksi pada waktu tertentu. Laju sesaat adalah laju pada saat waktu tertentu. Laju sesaat merupakan diferensiasi laju: -d[reactan]/dt atau d[produk]/dt. Laju sesaat terhadap waktu dapat ditentukan:

- Dengan menghitung slop negatif dari kurva konsentrasi reaktan terhadap waktu.- Dengan menghitung slop negatif dari kurva konsentrasi produk terhadap waktu.

Page 7: Biokim Isi

Berikut contoh grafik laju sesaat :

Gambar 3. Grafik Laju Sesaat.(Sumber:

http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#Top)

3. Laju awal Laju awal merupakan laju pada saat awal bereaksi.Laju reaksi awal adalah laju sesaat pada saat awal reaksi (t=0). Laju reaksi awal sama dengan slope negatif dari kurva konsentrasi reaktan terhadap waktu (t=0).

Hukum laju dari grafik konsentrasi terhadap waktu

Laju reaksi berdasarkan suatu data konsentrasi terhadap waktu terdapat 3 grafik.1. [A] versus t.

Grafik ini merupakan reaksi pada orde 0 . Bentuk grafik yang dihasilkan adalah garis yang linier. Untuk rumus laju reaksi pada grafik ini adalah r = d[A]/dt = k . Berikut ini adalah contoh bahwa data yang ada ini dapat membentuk garis lurus ketika orde nya adalah 0(grafik yang kiri).

Page 8: Biokim Isi

Gambar 4. Grafik Laju Reaksi [A] versus t(sumber:

http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#Top)

2. ln [A] versus t Reaksi ini adalah reaksi pada orde 1. Untuk rumus laju reaksi pada grafik ini adalah r = d[A]/dt = k[A]. Berikut ini adalah contoh bahwa data ini dapat membentuk garis lurus

ketika orde nya adalah 1 (grafik yang tengah).

Gambar 5. Grafik Laju Reaksi ln [A] versus t(sumber:

http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#Top)

3. 1 / [A] versus t Reaksi ini adalah reaksi pada orde 2. Untuk rumus laju reaksi pada grafik ini adalah r =d[A]/dt = k[A]2. Berikut ini adalah contoh bahwa data ini dapat membentuk garis lurus

ketika orde nya adalah 2 (grafik yang kanan).

Page 9: Biokim Isi

Gambar 6. Grafik Laju Reaksi 1 / [A] versus t(sumber:

http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#Top)

4. Bagaimana anda menentukan parameter kinetika enzimatik, Vmax dan Km dari suatu data konsentrasi? Berikan contoh.Jawab :

Parameter kinetik enzimatikSpesifikasi dari reaksi Michaelis-Menten menentukan dua konstanta yaitu vmax dan Km yang

harus dievaluasi. Pendekatan parameter kinetik untuk reaksi Michaelis-Menten sama mudahnya dengan reaksi orde nol dan orde satu. Langkah pertama dalam analisis kinetik dari reaksi enzim adalah menentukan laju reaksi (v) sebagai fungsi dari konsentrasi substrat (s), dan hanya initial rate data yang digunakan. Eksperimen yang dilakukan dengan konsentrasi substrat awal yaitu pada waktu nol. Initial rate dan initial konsentrasi substrat sebagai (v,s) diplot dengan berbagai metode untuk menentukan vmax dan Km. berikut adalah 5 metode dalam menentukan parameter kinetik enzim.

a. Plot Michaelis-MentenLangkah mudah dalam plot v dan s terdapat dalam gambar

Page 10: Biokim Isi

Gambar 1, Michaelis-Menten plot(sumber: Pauline M. Doran, page 269)

Vmax dan Km dapat ditentukan dari grafik, vmax adalah sebagai laju s∞ dan Km nilai dari s saat v=vmax/2. Pengakurasian metode ini memiliki kelemahan karena sulit untuk menentukan tmx.

b. Leneweaver-Burk PlotMetode ini digunakan untuk langkah linearisasi untuk menghasilkan plot garis lurus yang

bisa menentukan vmax dan Km dengan persamaan

1v=

K m

vmax s+ 1

vmax

Sehingga plot dari 1/v vs 1/s harus menghasilkan garis lurus dengan slop Km/vmax dan intercept 1/vmax. Plot ini dikenal sebagai Lineweaver-Burk plot. Bagaimanapun juga, proses linearisasi yang digunakan pada data eksperimen error pada v, sehingga kesalahan ini diperkuat pada konsentrasi substrat yang rendah.

c. Eadie-Hofstee Plot

Jika persamaan 1v=

K m

vmax s+ 1

vmaxdikalikan dengan v (

vmax

Km

)

Dan kemudian disusun, bentuk linearisasi lainnya dari persamaan Michaelis-Menten adalah

vs=

vmax

Km

− vKm

Pada persamaan di atas, plot v/s versus Vmax/Km akan menghasilkan garis lurus dengan slop -1/Km dan intercept vmax/Km yang dikenal dengan Eadie-Hofstee plot. seperti plot

Page 11: Biokim Isi

Lineweaver-burk, Eadie-Hofstee linearisasi mendistorsi kesalahan dalam data, sehingga metode ini telah mengurangi akurasi.

d. Langmuir Plot

Dengan mengalikan persamaan 1v=

K m

vmax s+ 1

vmax dengan s, maka bentuk linearisasi persamaan

Michaelis-Menten menjadi Langmuir adalah :

sv=

Km

vmax

+ svmax

Sehingga sebuah plot Langmuir pada s/v versus s harus menghasilkan garis lurus dengan slop 1/vmax dan intercept Km/vmax. Linearisasi dari metode ini menghasilkan kesalahan yang kecil, sehingga metode Langmuir direkomendasikan metode untuk menentukan Km dan vmax.

e. Direct Linear PlotMetode yang berbeda dengan yang lain dalam memplot data kinetic enzim dipelopori oleh

Eisenthal dan Cornish-Bowden. Pada beberapa obesrvasi, laju reaksi v diplot pada sumbu y terhadap s pada sumbu x.

Gambar 2, Direct Linear plot untuk menentukan parameter kinetik enzim(sumber: Pauline M. Doran, page 272)

Garis lurus dihasilkan pada (-s,v) akan mendapatkan titik yang unik (Km dan vmax), yaitu dimana semua hasil garis lurus dari –s dan v akan menghasilkan titik potong yang banyak di suatu titik. Ketika data yang diplot mengandung kesalahan, maka akan diperoleh titik persimpangan. Setiap persimpangan akan memberikan suatu nilai perkiraan vmax dan Km, kemudian median vmax dan Km yang dijadikan sebagai parameter kinetik reaksi. Kelemahan dari langkah ini adalah penyimpangan dari Michaelis-Menten tidak mudah terdeteksi.

Contoh penentuan parameter Km dan vmax

Page 12: Biokim Isi

Laktosa yang juga dikenal sebagai β-galactosidase, yang mengkatalis hidrolisis laktosa untuk memproduksi glukosa dan galaktosa dari susu. Eksperimen dilakukan untuk menentukan parameter kinetik untuk enzim.

Konsentrasi Laktosa (mol/L)

Initial reaction velocity (mol l-1min-

1x103)0,0250 1,940,0227 1,910,0184 1,850,0135 1,800,0125 1,780,00730 1,460,00460 1,170,00204 0,779

Untuk menentukan parameter kinetic enzim dengan metode langmuir, Langmuir Plot dengan

mengalikan persamaan 1v=

K m

vmax s+ 1

vmax dengan s, maka bentuk linearisasi persamaan Michaelis-

Menten menjadi Langmuir adalah :

sv=

Km

vmax

+ svmax

Sehingga sebuah plot Langmuir pada s/v versus s harus menghasilkan garis lurus dengan slop 1/vmax dan intercept Km/vmax. Linearisasi dari metode ini menghasilkan kesalahan yang kecil, sehingga metode Langmuir direkomendasikan metode untuk menentukan Km dan vmax.

s (mol/L) s/v (min)0,0250 12,890,0227 11,880,0184 9,950,0135 7,500,0125 7,020,00730 5,000,00460 3,930,00204 2,62

Page 13: Biokim Isi

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.030

2

4

6

8

10

12

14

f(x) = 444.854663954875 x + 1.70220142927814R² = 0.99843238890194

Series2Linear (Series2)

s (mol/L)

s/v

(min

)

Persamaan garis pada grafik di atas adalah y = 444,8x + 1,702

1/Vmax = 445 mol-1 lmin

Vmax = 2,25x10-3 mol l-1 min -1

Km/vmax = 1,70

Km = 1,70 x 2,25x10-3 = 3,83 x 10-3 mol l-1

Jadi Km bernilai 3,83 x 10-3 mol l-1 dan Vmax = 2,25x10-3 mol l-1 min -1

5. Bagaimana menghitung yields pada kultur sel dan peran pentingnya sebagai salah satu parameter kinetika reaksi?

Jawab:

Konsep dasar dalam reaksi yield adalah sebagai berikut:

(theoritical yield )=(massa total yangdiproduksi)(massa total yangdikonsumsi)

Ketika kita mengikutsertakan proses pertumbuhan sel pada perhitungan maka akan menggunakan banyak enzim dan konversi kimia. Meskipun kompleks, prinsip-prinsip yield dapat diterapkan untuk metabolisme yang berkaitan dengan aliran substrat untuk pembentukan biomassa. Yield terkespresikan dengan menggunakan koefisien yield atau faktor yield. Koefisien yield memungkinkan kita untuk menghitung nutrisi yang dibutuhkan dan karakteristik produksi dari suatu organisme.

Definisi koefisien yield :

Page 14: Biokim Isi

YFG=−∆ F∆ G

YFG = Faktor yield−∆ F = massa yang diproduksi∆ G = massa yang dikonsumsi

Pada kultur sel, nilai ∆ F dan ∆ G dihitung sebagai perbedaan antara nilai awal dan nilai akhir. Nilai ini merepresentasikan sebagai nilai rata-rata seluruh yield dari keseluruhan langkah. Perhitungan ini dapat menghasilkan perbedaan nilai YFG.

Yield akan bervariasi pada setiap periode, oleh karena itu selain harus menghitung nilai keseluruhan yield kita juga harus menghitung nilai yield pada titik waktu tertentu. Perhitungan yield pada titik waktu tertentu dinamakan instantaneous yield.Instantaneous yield dapat dihitung sebagai berikut :

YFG= lim∆G→ 0

−∆ F∆ G

=−dFdG

=

−dFdtdGdt

=rFrG

Di mana nilai rF dan rG adalah laju alir produksi dan konsumsi dari F dan G.Sebagai contoh, YXS pada suatu waktu tertentu :

Y XS=rxrs

= laju pertumbuhanlaju substrat konsumsi

Contoh soal untuk perhitungan yields pada kultur sel

Reaksi untuk produksi asam setat dari etanol :

C2H5OH + O2 CH3CO2H + H2O

Bakteri acetobacter aceti dimasukkan ke dalam suatu medium yang mengandung 10 g l -1

etanol. Setelah beberapa waktu, konsentrasi etanol menjadi 2 g l-1 dan terproduksi asam

asetat sebanyak 7,5 g l-1. Berapa yield keseluruhan yang diproduksi?

Jawab:

Menggunakan basis 1 liter, yield keseluruhan yang diproduksi adalah :

YPS = Laju pertumbuhan

Lajusubstrat konsumsi= 7.5 g

10−2 g=0,94 g g−1

Jadi, yield keseluruhan yang diproduksi adalah sebanyak 0,94 g g−1

Page 15: Biokim Isi

7. Dapatkah Anda menjelaskan hubungan dasar kinetika pertumbuhan sel dan bagaimana Anda mengevaluasi pertumbuhan, serapan substrat, dan laju produksi biomassa dalam proses kultivasi sel?

Jawab:

Kinetika Pertumbuhan SelKinetika pertumbuhan sel digunakan untuk menyatakan bagaimana suatu sel tumbuh.

Pertumbuhan sel, dalam hal ini mikroba, umumnya mengikuti suatu pola pertumbuhan berupa kurva pertumbuhan ‘sigmoid’ (model Monod). Kurva pertumbuhan sel menyatakan besarnya atau banyaknya konsentrasi sel yang hidup pada berbagai fase pertumbuhan selama waktu tertentu. Terkait dengan laju pertumbuhannya, hal ini bervariasi bergantung pada fase pertumbuhannya.

Gambar 7. Kurva pertumbuhan sel(Sumber: Pauline M. Doran, 2002)

Kurva pertumbuhan sel diawali dengan fase yang bernama Fase Lag. Pada fase atau tahap ini, sel mangalami adaptasi terhadap lingkungannya. Pada fase ini, sel akan mensistesis berbagai enzim-enzim baru serta komponen struktural yang ia butuhkan. Setelah tahap ini, sel akan mengalami fase pertumbuhan dan diawali pada titik yang bernama Fase Akselerasi (Acceleration Phase). Pertumbuhan sel terus dilanjutkan hingga mencapai titik yang bernama Fase Penurunan (Decline Phase). Jika pertumbuhannya eksponensial, maka pada grafik semi-logaritmik fase pertumbuhan (Growth Phase) akan terlihat sebagai suatu garis lurus.

Selama proses pertumbuhan terus berlanjut, akan terjadi kondisi dimana nutrisi dalam medium habis atau terjadinya akumulasi suatu produk inhibitor. Kondisi ini yang kemudian menyebabkan pertumbuhan menurun dan sel memasuki fase penurunan. Setelah masa transisi ini, sel akan memasuki fase stasioner dimana tidak lagi terjadi pertumbuhan sel yang berarti.

Page 16: Biokim Isi

Selanjutnya kultur perlahan-lahan memasuki masa kematian sel (Death Phase) atau penghancuran sel seperti lisis.

Laju pertumbuhan sel dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

rX = μ x

dimana rX adalah laju volumetrik dari produksi biomassa (kgm-3s-1). Nilai x menyatakan konsentrasi sel yang hidup (kgm-3). Sedangkan μ menyatakan laju pertumbuhan spesifik (specific growth rate). Laju pertumbuhan spesifik menyatakan besarnya peningkatan massa sel per satuan waktu. Laju pertumbuhan spesifik memiliki dimensi T-1.

Tabel 1. Pertumbuhan sel

Fase Deskripsi Laju Pertumbuhan Spesifik

LagSel beradaptasi dengan lingkungan; pertumbuhan sel tidak ada atau sangat kecil

μ ≈ 0

Akselerasi (Acceleration) Pertumbuhan dimulai μ < μmax

Pertumbuhan (Growth) Pertumbuhan mencapai laju maksimum

μ ≈ μmax

Penurunan (Decline)Pertumbuhan melambat dikarenakan nutrisi berkurang atau akumulasi produk inhibitor

μ < μmax

Stasioner Pertumbuhan berhenti μ = 0

Kematian (Death) Sel tidak mampu lagi bertahan hidup dan lisis

μ < 0

(Sumber: Pauline M. Doran,2002)

Pada sistem tertutup dimana pertumbuhan adalah satu-satunya proses yang mempengaruhi konsentrasi sel, maka integrasi persamaan rX = dx/dt memberikan pernyataan untuk x sebagai suatu fungsi waktu. Jika nilai μ konstan, persamaan tersebut dapat diintegrasikan dengan kondisi awal x = xo pada t = 0, sehingga:

x = xoeμt

dimana xo adalah konsetrasi sel yang hidup pada waktu nol. Pertumbuhan Eksponensial (Exponential Growth) memiliki persamaan:

ln x = ln xo + μt

(1)

(2)

(3)

Page 17: Biokim Isi

Laju pertumbuhan sel seringkali ditunjukkan dalam bentuk waktu penggandaan (doubling time, td). Pengekspresian waktu penggandaan dapat ditunjukkan oleh persamaan:

ln 2 = μtd

atau

t d=ln2μ

Pada kasus dimana terjadi pertumbuhan seimbang (balanced growth), laju pertumbuhan spesifik berkaitan dengan konsentrasi dari substrat pembatas pertumbuhan. Yang dikenal dalam bentuk persamaan Monod (yang sejenis dengan persamaan Michaelis-Menten):

μ=μmaks s

K s+s

Gambar 2. Hubungan laju pertumbuhan spesifik dan komsentrasi substrat pembatas pertumbuhan dalam kultur.(Sumber: Pauline M. Doran, 2002)

Pada persamaan (6), “s” menyatakan konsentrasi dari substrat pembatas pertumbuhan (Growth-Limiting Substrate), μmaks adalah laju pertumbuhan spesifik maksimum, dan Ks adalah konstanta substrat.

Tabel 2. Nilai Ks untuk beberapa organisme

(4)

(5)

(6)

Page 18: Biokim Isi

(Sumber: Pauline M. Doran, 2002)

Kultivasi SelPada kultivasi sel, terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam mengevaluasi

pertumbuhan suatu sel. Dalam hal ini, yang perlu diketahui diantaranya pemahaman tentang kinetika pertumbuhan sel pada kondisi tertentu, serta parameter-parameter seperti laju pertumbuhan, serapan substrat, ataupun terkait dengan pembentukan produk dan biomassa.

Untuk menentukan laju pertumbuhan sel, maka yang diperlukan adalah konsentrasi sel. Pengukuran konsentrasi sel dapat menggunakan beberpa metode, seperti pengukuran langsung jumlah sel, berat kering sel, turbidity (tingkat kekeruhan kultur), ataupun pengukuran produk yang terbentuk.

Terlepas dari bagaimana cara pengukuran konsentrasi sel, terdapat suatu teknik yakni dengan menggunakan diferensiasi grafik konsentrasi (graphical differentiation of concentration). Teknik ini digunakan untuk menyatakan laju pertumbuhan volumetrik dalam kultur batch. Ketika laju pertumbuhan volumetrik rX diketahui, maka laju pertumbuhan spesifik μ dapat dihitung dengan membagi rX terhadap konsentrasi sel.

Laju volumetrik untuk serapan substrat dan pembentukan produk, rS dan rP, dapat dievaluasi dengan metode diferensiasi grafik konsentrasi substrat dan produk. Laju pembentukan produk spesifik qP dan laju serapan substrat spesifik qS dapat diperoleh dengan membagi laju volumetriknya masing-masing terhadap konsentrasi sel.

Page 19: Biokim Isi

Gambar 2. Graphical differentiation pada sistem kultur batch. (Sumber: Pauline M. Doran, 2002)

- Kinetika Serapan Substrat Sel

Pada kultur sel, pemberian substrat tidak hanya ditujukan untuk pertumbuhan serta pembentukan (sintesis) produk, tetapi juga untuk men-generasi energi untuk menjaga aktivitas selnya. Laju spesifik serapan substrat untuk menjaga aktivitas sel dikenal sebagai maintenance coefficient (mS). Dimensi untuk mS adalah T-1 dengan satuan (kg biomassa)-1s-1. Nilai koefisien ini berbedapada organisme dan kondisi kulturnya.

Tabel 3. Maintenance coefficient beberapa organisme dengan glukosa sebagai energi

Page 20: Biokim Isi

(Sumber: Pauline M. Doran, 2002)

Laju serapan substrat dapat diekspresikan melalui persamaan berikut sebagai fungsi konsentrasi biomassa:

rs = qS x

dimana rs adalah laju volumetrik konsumsi substrat (kgm-3s-1), qS adalah laju spesifik serapan substrat, dan x adalah konsentrasi biomassa.

Pada kondisi dimana tidak terjadi pembentukan produk, diasumsikan jika seluruh substrat digunakan untuk pertumbuhan dan fungsi pemeliharaan (maintenance). Laju aktivitas sel terkait hal ini, yakni:

r S=r X

Y XS

+mS x

dimana rX adalah laju volumetrik pembentukan biomassa, YXS adalah yield biomassa dari substrat, mS adalah maintenance coefficient, dan x adalah konsentrasi biomassa.

Untuk kondisi dimana terjadi pembentukan substrat yang disertai dengan metabolisme energi, maka laju konsumsi substrat merupakan fungsi dari 3 faktor. Ketiga faktor tersebut, yaitu laju pertumbuhan, laju pembentukan produk, dan laju serapan substrat untuk pemeliharaan (maintenance). Persamaannya, yaitu:

r S=r X

Y XS

+r P

Y PS

+mS x

dimana rS adalah laju volumetrik konsumsi substrat, rP adalah laju volumetrik pembentukan produk, dan YPS adalah yield produk dari substrat.

(7)

(8)

(9)

Page 21: Biokim Isi

Referensi

Doran, Pauline M..2002. Bioprocess Engineering Principle. Lomdon: Academic Press Limited.

Fogler, H. Scott. 2006. Elements of Chemical Reaction Engineering. New Jersey : Pearson.

http://www.brighthubengineering.com/thermodynamics/4616-what-are-reversible-and-irreversible-processes/#imgn_0

http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/IntegratedRateLaws.html

http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#Top

Anonim.“materi kimia perubahan entalpi” <http://www.chem-is-try.org/materi kimia/kimia sma1/kelas-2/entalpi-dan-perubahan-entalpi>Toyoputra.files.wordpress.com/.../termodinamika

Page 22: Biokim Isi

Daftar Pustaka

Mangunwidjaja, Djumali. 2006. Rekayasa Bioproses. Bandung: IPB Press.Pelczar, M. J. dan E. C. S. Chan1986. Dasar-dasar Mikrobiologi. UI Press, Jakarta.